DE68915039T2

DE68915039T2 - Armor plate to prevent chipping.

Info

Publication number: DE68915039T2
Application number: DE68915039T
Authority: DE
Inventors: John D Morrow
Original assignee: FMC Corp
Current assignee: FMC Corp
Priority date: 1988-03-23
Filing date: 1989-03-20
Publication date: 1994-08-18
Anticipated expiration: 2009-03-21
Also published as: ES2052794T3; EP0334263B1; ATE105401T1; AU2898489A; IL88823A0; CA1335240C; AU611759B2; EP0334263A1; TR24318A; DE68915039D1; KR950003451B1; KR890014987A

Abstract

An improved active spall suppression armor is disclosed which includes at least a primary spall backing plate (82a) which contacts the inner wall of the armor (86a). The backing plate material is formed as a polymeric matrix having metal or ceramic powders therein which form particles of low mass, low kinetic energy and low penetration capability when the outer surface of the armor is contacted by the type of weapon which the spall backing material is designed to protect. A secondary spall backing plate (92a) may be spaced from the primary plate for reducing the angle of dispersement from fragments released from the armor and the weapon.

Description

Die vorliegende Erfindung ist eine Verbesserung gegenüber der in der von Musante et al offenbarten Anmeldung mit der Anmeldenummer 098,633, angemeldet am 18. September 1987, die den Titel trägt PANZERPLATTE ZUM AKTIVEN UNTERDRÜCKEN VON ABPLATZUNGEN (Europäische Anmeldung 88 113 787.1).The present invention is an improvement over that disclosed in Musante et al.'s application number 098,633, filed September 18, 1987, entitled ARMOR PLATE FOR ACTIVELY SUPPRESSING SPANNING (European Application 88 113 787.1).

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Abplatzungen unterdrückende Schicht gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Die leichte Schicht ist zerbrechlich oder hat eine geringe Festigkeit, so daß, wenn sie bricht, die Teilchen eine geringe Masse und/oder kinetische Energie und eine minimale Fähigkeit zur Konzentration haben.The present invention relates to a chipping suppressing layer according to the preamble of claim 1. The lightweight layer is fragile or has low strength so that when it breaks, the particles have low mass and/or kinetic energy and minimal ability to concentrate.

Man nimmt an, daß Abplatzungen bzw. Absplitterungen der Hauptgrund von Todesfällen bei gepanzerten Fahrzeugen während eines Kampfeinsatzes sind. Abplatzungen können gekennzeichnet werden als eine Wolke von Hochgeschwindigkeits-Metallfragmenten, die von der inneren Oberfläche der gepanzerten Außenhaut des Fahrzeuges freigegeben wird und letal für Weichziele des Fahrzeuges ist. Die Weichziele schließen elektrische Kabel, elektrische Bauteile, Kraftstoffleitungen, Kraftstoffzellen und Personal innerhalb des Fahrzeuges ein.Spalling is believed to be the leading cause of fatalities in armored vehicles during combat operations. Spalling can be characterized as a cloud of high-velocity metal fragments released from the inner surface of the vehicle's armored skin, which is lethal to soft targets on the vehicle. Soft targets include electrical wiring, electrical components, fuel lines, fuel cells, and personnel inside the vehicle.

Abplatzungsbeschichtungen, die aus aramidfaserverstärkten Polymerplatten bestehen, werden gegenwärtig zum Minimieren des Abplatzungseffektes verwendet, sind jedoch teuer und schwer. Eine Anwendung dieser Beschichtungen ist durch begrenzten Raum in Fahrzeugen und die niedrige Raumeffizienz der Beschichtungen eingeengt. Die Effektivität dieser Beschichtungen erfordert, daß die Beschichtungen typischerweise um 10,16 bis 43,18 cm (4 bis 17 inches) von der inneren Wand des Fahrzeuges beabstandet sind, und sie sind deshalb unerwünscht, da der nutzbare Raum innerhalb der meisten Fahrzeuge sehr begrenzt ist. Auch erschweren die Einbauten bzw. Geräte innerhalb des Fahrzeuges es oder machen es unmöglich, die Beschichtung innerhalb aller Bereiche des Fahrzeuges zu befestigen, ohne den Betrieb und die Anordnung von Fahrzeugbauteilen zu stören. Signifikante Bereiche in Fahrzeugen, wie z.B. Turm- und Fahrbereiche, haben einen Abplatzungsschutz, der entweder begrenzt oder infolge des Mangels an Raum für jegliches Beabstanden nicht vorhanden ist.Spalling coatings consisting of aramid fibre reinforced polymer sheets are currently used to minimise the spalling effect, but are expensive and heavy. Application of these coatings is limited by limited space in vehicles and the low Space efficiency of the coatings is limited. The effectiveness of these coatings requires that the coatings be spaced typically 4 to 17 inches from the interior wall of the vehicle, and they are undesirable because the usable space inside most vehicles is very limited. Also, the equipment inside the vehicle makes it difficult or impossible to attach the coating inside all areas of the vehicle without interfering with the operation and layout of vehicle components. Significant areas in vehicles, such as turret and driving areas, have spall protection that is either limited or nonexistent due to the lack of space for any spacing.

In der DE-A-2 296 815 ist eine Vorrichtung zum Unterdrücken von Abplatzungen beschrieben, wobei die Vorrichtung eine Elastomerschicht auf der Innenseite einer Metallpanzerung aufweist. Eine Absorption der Schallspannungswelle und ein Aufbrechen in feine, nichteindringende Fragmente niedriger Energie ist nicht möglich bei dieser bekannten Vorrichtung.DE-A-2 296 815 describes a device for suppressing spalling, wherein the device has an elastomer layer on the inside of a metal armor. Absorption of the sound stress wave and breaking it up into fine, non-penetrating fragments of low energy is not possible with this known device.

In der GB-A-746 371 ist eine Schutzstruktur beschrieben, die Personal und Ausrüstung gegen die zerstörerische und durchschlagende Wirkung von Hochgeschwindigkeitsraketen schützt und die bezüglich des Gewichtes leicht ist. Der vorteilhafte Effekt des Beladens eines Elastomermaterials mit einem Pulver wird erwähnt, wobei das Material zur Einbeziehung in die Panzerung eines Panzers vorgesehen ist.GB-A-746 371 describes a protective structure which protects personnel and equipment against the destructive and penetrating effects of high-velocity missiles and which is light in weight. The beneficial effect of loading an elastomeric material with a powder is mentioned, the material being intended for incorporation into the armour of a tank.

Die Erfindung betrifft die Reduzierung von Verletzungen und Schaden von Abplatzungen, die typischerweise von der Innenoberfläche der Panzerplatte oder ähnliches durch aneinanderhängendes Anbringen von leichtem Abplatzungsschichtmaterial mit einer Schallimpedanz erzeugt werden, so daß die in die Panzerung bzw. Panzerplatte reflektierte Spannung unter der ist, die ein signifikantes Abplatzen in der Panzerplatte hervorruft.The invention relates to the reduction of injuries and damage from spalling, which typically occurs from the inner surface of the armor plate or the like, by adjoining light spalling layer material with an acoustic impedance such that the stress reflected into the armour or armour plate is below that which causes significant spalling in the armour plate.

Das der Erfindung unterliegende Problem wird mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1 gelöst.The problem underlying the invention is solved with the features of the characterizing part of claim 1.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Abplatzungen unterdrückenden Schicht gemäß Anspruch 1 sind in den Unteransprüchen 2 bis 13 aufgeführt.Further advantageous developments of the flaking-suppressing layer according to claim 1 are listed in subclaims 2 to 13.

Im allgemeinen weist eine Panzerplatte mit aktiver Abplatzungsunterdrückung ein Panzerungsmaterial oder eine Panzerungsplatte auf, die durch ein Schichtmaterial hinterlegt ist, das zusammenhängend an der Innenoberfläche der Panzerung, typischerweise durch einen Kleber, angebracht ist. Das Abplatzungs-Schichtmaterial kann die Konsistenz von geschmeidiger Dichtungsmasse haben oder kann in der Form von harten, weichen oder elastischen Keramikplatten oder Blättern sein. In dem Fall, daß die Abplatzungsschicht aus einer gleichmäßigen Dispersion von Partikeln in einer Bindermatrix besteht, kann der Matrixbinder dazu dienen, das Schichtmaterial an der Panzerplatte zusammenhängend anzuhaften. Das Abplatzungsmaterial bildet, wenn es infolge von durch das Panzerplattenmaterial übertragenen Spannungen gebrochen wird, nichtletale Fragmente geringer Masse und kinetischer Energie. Die Schallimpedanz des Abplatzungsmaterials ist so, daß die durch das Abplatzungsschichtmaterial in die Panzerplatte reflektierte Spannung unter der ist, die einen Bruch in der Panzerplatte bewirkt, wobei der Bruch zu letalen Abplatzungspartikeln führen würde, die von der inneren Oberfläche der Metallpanzerplatte abgetrieben werden. Abplatzungen können in dem Schichtmaterial erzeugt werden, der Effekt wird jedoch minimiert, indem sichergestellt wird, daß die in dem Schichtmaterial geschaffenen Abplatzungen eine niedrige Energie und deshalb eine begrenzte Eindringfähigkeit haben. Das Panzerplattenmaterial kann Stahlpanzerplatten, Aluminiumpanzerplatten oder andere Typen von Panzerungen einschließlich von Kompositmaterialien sein.In general, an armor plate with active spall suppression comprises an armor material or armor plate backed by a layer material that is continuously attached to the interior surface of the armor, typically by an adhesive. The spall layer material may have the consistency of pliable sealant or may be in the form of hard, soft, or elastic ceramic plates or sheets. In the case where the spall layer consists of a uniform dispersion of particles in a binder matrix, the matrix binder may serve to continuously adhere the layer material to the armor plate. The spall material, when fractured as a result of stresses transmitted through the armor plate material, forms non-lethal fragments of low mass and kinetic energy. The acoustic impedance of the spalling material is such that the stress reflected by the spalling layer material into the armor plate is below that which would cause a rupture in the armor plate, which rupture would result in lethal spalling particles being expelled from the inner surface of the metal armor plate. Spalling can occur in the The spalling can be created in the layered material, but the effect is minimised by ensuring that the spalls created in the layered material are of low energy and therefore have limited penetration. The armour plate material can be steel armour plate, aluminium armour plate or other types of armour including composite materials.

Die verbesserte Panzerplatte mit aktiver Abplatzungsunterdrückung ist auf die Verwendung von unterschiedlichen Typen von entweder monolithischen oder Kompositmaterialien in Kontakt mit der Panzerplatte gerichtet, die entweder allein oder mit einer davon beabstandeten zweiten Schicht oder Platte verwendet wird.The improved armor plate with active spall suppression is directed to the use of different types of either monolithic or composite materials in contact with the armor plate, used either alone or with a spaced second layer or plate.

Im allgemeinen verhält sich das verbesserte System mit aktiver Abplatzungsunterdrückung besser als vorhandene Abplatzungsbeschichtungen, wenn minimaler Raum verfügbar ist, und zwar typischerweise unter 10,16 cm (4 inch).In general, the improved active chip suppression system performs better than existing chip coatings when minimal space is available, typically less than 10.16 cm (4 inches).

Figur 1 ist eine Perspektivansicht im Schnitt, die eine Panzerplatte ohne daran angebrachtes Abplatzungsschichtmaterial darstellt, auf die eine Hohlladung bzw. eine gerichtete Sprengladung oder ein Projektil aufschlägt und die Panzerungsabplatzungen zeigt, die davon abgesprengt werden.Figure 1 is a perspective view in section showing an armor plate without any spall layer material attached being struck by a shaped charge or directed explosive charge or projectile and showing the armor spalls being blasted off therefrom.

Figur 2 ist eine diagrammartige Ansicht eines Militärfahrzeuges, das ein durch die zwei Panzerplattenwände und zwei Abplatzungsbeschichtungen eines Fahrzeuges des Standes der Technik hindurchgehendes Projektil darstellt, was Abplatzungskegelwinkel veranschaulicht.Figure 2 is a diagrammatic view of a military vehicle showing a projectile passing through the two armor plate walls and two spall coatings of a prior art vehicle, illustrating spall cone angles.

Figur 3 ist eine diagrammartige Ansicht in einem Vertikalschnitt, die eine Panzerplatte mit angebrachtem Abplatzungsschichtmaterial, die an einem Prüfstand angebracht ist, und ein an einem Rahmen angebrachtes Indikatorblatt veranschaulicht.Figure 3 is a diagrammatic view in vertical section illustrating an armor plate with attached spall layer material mounted on a test stand and an indicator sheet mounted on a frame.

Figur 4 ist eine diagrammartige Ansicht, die eine sägezahnförmige Spannungswelle veranschaulicht, die in einer Panzerplatte durch den Aufschlag einer Ladung bzw. Explosivgeschosses geschaffen wird, das zu vier verschiedenen Zeitintervallen relativ zu der freien inneren Oberfläche der Metallpanzerplatte gezeigt ist.Figure 4 is a diagrammatic view illustrating a sawtooth stress wave created in an armor plate by the impact of a charge or explosive projectile shown at four different time intervals relative to the free interior surface of the metal armor plate.

Figur 5A ist ein Diagramm, das sägezahnförmige Spannungswellen an einer Grenzfläche zwischen einer Panzerplatte und einem Schichtmaterial mit einer niedrigeren Schallimpedanz als die der Panzerplatte veranschaulicht.Figure 5A is a diagram illustrating sawtooth stress waves at an interface between an armor plate and a layered material with a lower acoustic impedance than that of the armor plate.

Figur 5B ist ein Diagramm, das die sägezahnförmigen Spannungswellen an einer Grenzfläche zwischen einer Panzerplatte und einem Schichtmaterial mit einer größeren Impedanz als der der Panzerplatte darstellt.Figure 5B is a diagram illustrating the sawtooth stress waves at an interface between an armor plate and a layered material with a larger impedance than that of the armor plate.

Figur 6 ist ein Vertikalschnitt durch eine Panzerplatte mit einem durch eine wahlweise Zwischenschicht aneinander dazu angebrachten Abplatzungsschichtmaterial.Figure 6 is a vertical section through an armor plate with a spall layer material attached to it by an optional intermediate layer.

Figur 7A ist eine Kopie eines Fotos, das die Rückseite einer Testpanzerplatte ohne Abplatzungsschicht darstellt, was den Bereich darstellt, von dem Panzerplattenabplatzungen abgesprengt worden sind, und was weiterhin ein Loch darin darstellt, das durch den gerichteten Ladungsstrahl gebildet worden ist.Figure 7A is a copy of a photograph showing the back of a test armor plate without a spall layer, showing the area from which armor plate spalls have been blasted off, and further showing a hole therein formed by the directed charge jet.

Figur 7B ist eine Kopie eines Fotos, das die Vorderseite einer Indikatorplatte darstellt, was das gewöhnliche Muster von Löchern darstellt, die darin von Abplatzungen von der Panzerplatte von Figur 7A ausgebildet sind, bzw. das Metallstück von dem Stoß des gerichteten Schusses bzw. der Sprengladung.Figure 7B is a copy of a photograph showing the front of an indicator plate showing the usual pattern of holes formed therein by flaking of the armor plate of Figure 7A or the metal fragments from the impact of the aimed shot or explosive charge.

Figur 8 ist ein Vertikalschnitt durch ein verbessertes System mit einer einzigen Schicht zur Unterdrückung von Abplatzungen, wobei die gestrichelten Linien anzeigen, daß das Schichtmaterial in der Form einer einzigen Platte oder einer Vielzahl von Platten verwendet werden kann.Figure 8 is a vertical section through an improved single layer spall suppression system, the dashed lines indicating that the layer material may be used in the form of a single sheet or a plurality of sheets.

Figur 9 ist ein Vertikalschnitt durch ein verbessertes System mit einer Doppelschicht zur Unterdrückung von Abplatzungen ähnlich dem von Figur 8, jedoch mit einer Sekundärplatte oder einem Sekundärblatt, das von dem Schichtmaterial beabstandet ist.Figure 9 is a vertical section through an improved double layer spall suppression system similar to that of Figure 8, but with a secondary plate or sheet spaced from the layer material.

Figur 10 ist eine Kopie einer von hinten belichteten Fotografie der Vorderseite einer Indikatorplatte in reduziertem Maßstab, die die Ergebnisse eines TOW-11-Schusses durch eine nichthinterlegte Panzerplatte mit 44 mm (1,75 inch) aus 5083-Aluminium darstellt und die gewöhnlich kreisförmige Muster von Löchern zeigt, die von letalen Abplatzungen gebildet werden, und ein zentrales Loch, das durch den Strahl und den Stoß der Waffe ausgebildet wird, wenn bei 0º geschossen wird.Figure 10 is a copy of a back-illuminated photograph of the front of an indicator plate on a reduced scale showing the results of a TOW-11 shot through an unbacked 44 mm (1.75 inch) 5083 aluminum armor plate, showing usually circular patterns of holes formed by lethal spalls and a central hole formed by the jet and blast of the weapon when fired at 0º.

Figur 11 ist eine Kopie einer von hinten belichteten Fotografie bei denselben Testbedingungen wie bei Figur 10, jedoch mit einer Indikatorplatte, die die Ergebnisse eines Testschusses durch eine Panzerplatte veranschaulicht, die durch eine einzige Schicht von 22,0 kg/m² (4,5 PSF) Aramidfaserschichtmaterial bei einem Abstand von 102 mm (4 inch) darstellt und ein Loch zeigt, das durch den Stoß ausgebildet ist, jedoch sehr wenig Löcher durch die Abplatzungen ausgebildet sind.Figure 11 is a copy of a back-exposed photograph taken under the same test conditions as Figure 10, but with an indicator plate illustrating the results of a test shot through an armor plate penetrated by a single layer of 22.0 kg/m² (4.5 PSF) aramid fiber laminate material at a distance of 102 mm (4 inches) and shows a hole formed by the impact, but very few holes formed by the spalling.

Figur 12 ist eine Kopie einer von hinten belichteten Fotografie der Vorderseite einer Indikatorplatte bei denselben Testbedingungen wie bei Figur 10, die jedoch die Ergebnisse eines Testschusses durch eine Panzerplatte mit einer einzigen Schicht von 21,0 kg/m² (4,3 PSF) eines daran angebrachten Schichtmaterials und ein Loch darstellt, das durch den Stoß bei einer geringfügig größeren Menge an durch die Abplatzungen gebildeten Löchern ausgebildet ist.Figure 12 is a copy of a back-illuminated photograph of the front of an indicator plate under the same test conditions as in Figure 10, but showing the results of a test shot through an armor plate with a single layer of 21.0 kg/m2 (4.3 PSF) of a laminated material attached thereto and a hole formed by the impact with a slightly larger amount of holes formed by the spalling.

Figur 13 ist eine Kopie einer von hinten belichteten Fotografie der Vorderseite bei denselben Testbedingungen wie von Figur 10, die jedoch die Ergebnisse eines Schusses durch die Panzerplatte mit einer einzigen Schicht von 13,7 kg/m² (2,8 PSF) eines daran angebrachten Primärschichtmaterials und eine Aramidfaserplatte von 7,32 kg/m² (1,5 PSF) veranschaulicht, die von dem Primärschichtmaterial 50,8 mm (2 inch) beabstandet sind, die das Loch zeigt, das durch den Stoß ausgebildet wurde, plus zwei Löcher von letalen Abplatzungen, von denen man annimmt, daß sie durch Fragmente von dem Stoß ausgebildet wurden.Figure 13 is a copy of a back-illuminated photograph of the front under the same test conditions as Figure 10, but illustrating the results of a shot through the armor plate with a single layer of 13.7 kg/m² (2.8 PSF) of primer material attached thereto and a 7.32 kg/m² (1.5 PSF) aramid fiber plate spaced 50.8 mm (2 inches) from the primer material showing the hole formed by the impact plus two holes from lethal spalls believed to have been formed by fragments from the impact.

Um die verbesserte Panzerplatte der vorliegenden Erfindung zur aktiven Unterdrückung von Abplatzungen zu verstehen, hat die Anmelderin, die eine Miterfinderin der mitangegebenen Anmeldenummer 098,633 ist, hier die allgemeine Theorie des Betriebes zusammen mit Definitionen von Begriffen, Formeln, Tabellen und Beispielberechnungen einbezogen, die in der Anmeldung, auf die Bezug genommen wurde, vorhanden sind. Die verbesserte Panzerplatte der vorliegenden Erfindung beginnt beim Titel VERBESSERTE PANZERPLATTE FÜR EINE AKTIVE UNTERDRÜCKUNG VON ABPLATZUNGEN.In order to understand the improved armor plate of the present invention for actively suppressing spalling, applicant, who is a co-inventor of co-assigned application number 098,633, has incorporated herein the general theory of operation along with definitions of terms, formulas, tables and example calculations present in the referenced application. The improved armor plate of the present invention begins with the title IMPROVED ARMOR PLATE FOR ACTIVE SPALLING SUPPRESSION.

Vor dem Beschreiben der Panzerplatte 18 der vorliegenden Erfindung zur aktiven Unterdrückung von Abplatzungen wird davon ausgegangen, daß eine kurze Beschreibung des Abplatzvorganges nützlich wäre.Before describing the armor plate 18 of the present invention for actively suppressing spalling, it is believed that a brief description of the spalling process would be useful.

Figur 1 stellt diagrammartig einen Schnitt einer Metallpanzerplatte 20 ohne ein daran angebrachtes Abplatzungsschichtmaterial dar, das von einer Waffe 22 bzw. einem Geschoß beaufschlagt wird, die bzw. das ein gerichteter Schuß bzw. Sprengschuß bzw. Sprengladung oder ein Hochgeschwindigkeitsprojektil sein kann. Die Waffe 22 beaufschlagt eine äußere Oberfläche 23 der Panzerplatte mit einer ausreichenden Kraft, um Abplatzungsfragmente 24 von der freien oder inneren Oberfläche 26 der Panzerplatte 20 loszulösen. Die Abplatzungsfragmente werden von der inneren Oberfläche 26 der Panzerplatte entlang eines konischen Weges von etwa 1000 bei hoher Geschwindigkeit fortgetrieben, wobei viele Fragmente eine ausreichende Masse aufweisen, um in Weichziele stark einzudringen, die von den Fragmenten beaufschlagt werden. Insbesondere ist Abplatzen ein Ausfallmodus, bei dem ein Bruch nahe der freien Oberfläche 26 (Figur 1) entfernt von der äußeren Oberfläche 23 auftritt, wo eine Impulslast angelegt wird. Die Impulslast wird typischerweise durch eine Explosivdetonation von einer gerichteten Sprengladung oder durch den Aufschlag eines Hochgeschwindigkeitsprojektils erzeugt. Der Impuls induziert eine Druckstoßwelle, die sich zu der gegenüberliegenden freien Oberfläche 26 ausbreitet, wo sie als eine Spannungswelle reflektiert wird. Die Intensität der Spannungswelle erhöht sich, wenn sie sich zurück durch das Material ausbreitet. In einigem Abstand von der Oberfläche 26 übersteigt die Spannungsintensität den Schwellenwert, die zum Ingangsetzen und Brechen benötigt wird, wobei in diesem Moment ein Abplatzen auftritt, was die Abplatzungen 24 nach innen bei hoher Geschwindigkeit abgibt.Figure 1 diagrammatically illustrates a section of a metal armor plate 20 without a spall layer material attached being impacted by a weapon 22 or projectile, which may be a directed shot or a high velocity projectile. The weapon 22 impacts an outer surface 23 of the armor plate with sufficient force to detach spall fragments 24 from the free or inner surface 26 of the armor plate 20. The spall fragments are propelled from the inner surface 26 of the armor plate along a conical path of about 1000 at high velocity, with many fragments having sufficient mass to strongly penetrate soft targets impacted by the fragments. In particular, spalling is a failure mode in which fracture occurs near the free surface 26 (Figure 1) away from the outer surface 23, where an impulse load is applied. The impulse load is typically generated by an explosive detonation from a directed explosive charge or by the impact of a high-velocity projectile. The impulse induces a pressure shock wave that propagates to the opposite free surface 26 where it is reflected as a stress wave. The intensity of the stress wave increases as it propagates back through the material. At some distance from the surface 26, the stress intensity exceeds the threshold required to initiate and fracture, at which point spalling occurs, releasing the spalls 24 inward at high velocity.

Figur 2 veranschaulicht diagrammartig einen senkrechten Schnitt durch zwei Panzerplattenwände 28, 29 eines Fahrzeuges mit zwei Abplatzungsbeschichtungen 32, 34 des Standes der Technik, die nach innen von dem Fahrzeug beabstandet sind. Der Weg 36 des Projektils wird durch Pfeile veranschaulicht, als durch beide Wände 28, 29 und die Beschichtungen 32, 34 hindurchgehend. Ein Primärabplatzungs-Kegelwinkel in der ersten beaufschlagten Wand 28 zeigt jedoch, daß die erste Abplatzungsbeschichtung 32 einige Abplatzungen stoppt, jedoch zuläßt, daß größere Stücke mit hoher Geschwindigkeit hindurchgelassen werden und durch eine zweite Abplatzungsbeschichtung 34 gestoppt werden, wie es durch einen engen Sekundärabplatzungs-Kegel 38 veranschaulicht ist.Figure 2 diagrammatically illustrates a vertical section through two armor plate walls 28, 29 of a vehicle with two prior art spall coatings 32, 34 spaced inwardly from the vehicle. The path 36 of the projectile is illustrated by arrows as passing through both walls 28, 29 and coatings 32, 34. However, a primary spall cone angle in the first impacted wall 28 shows that the first spall coating 32 stops some spalls but allows larger pieces to pass through at high speed and be stopped by a second spall coating 34 as illustrated by a narrow secondary spall cone 38.

Figur 4 stellt die durch gerichtete Sprengladungswaffen hervorgerufenen Spannungen dar und veranschaulicht die Bildung von Druck- und Zugspannungswellen, wenn sie durch die erstbeaufschlagte Panzerplatte hindurchgehen zu vier verschiedenen Zeitintervallen zu der freien Oberfläche 26 ohne daran angebrachtes Abplatzungsschichtmaterial. Zur Zeit T-1 veranschaulicht eine Sägezahnwelle oder ein Impuls 39 die Spannungsintensität relativ zu der Rück- oder inneren Oberfläche 26 der Panzerplatte, die durch die Detonation eines Explosivstoffes hervorgerufen wird. Wenn die Druckspannungswelle 39 die freie Oberfläche 26 erreicht, wird sie, wie zur Zeit T-2 dargestellt, als eine Zugspannungswelle 42 reflektiert, die teilweise durch den einfallenden Druckspannungsimpuls 39 aufgehoben wird. Die Zugspannung wird ansteigen, bis die maximale Spannung bei einem Abstand von der Oberfläche 26 der Platte 20 auftritt, der gleich der Hälfte der Impulslänge ist, wie zur Zeit T-3 angezeigt. Zur Zeit T-4 übersteigt die Intensität der Zugspannungswelle die Druckspannungswelle, wodurch angezeigt wird, daß Abplatzungen nicht erzeugt werden.Figure 4 illustrates the stresses induced by directed explosive weapons and illustrates the formation of compressive and tensile stress waves as they pass through the first-impacted armor plate to the free surface 26 without spall layer material attached at four different time intervals. At time T-1, a sawtooth wave or pulse 39 illustrates the stress intensity relative to the back or inner surface 26 of the armor plate induced by the detonation of an explosive. When the compressive stress wave 39 reaches the free surface 26, it is reflected as a tensile stress wave 42, as shown at time T-2, which is partially canceled by the incident compressive stress pulse 39. The tensile stress will increase until the maximum stress occurs at a distance from the surface 26 of the plate 20 equal to one-half the pulse length, as indicated at time T-3. At time T-4, the intensity of the tensile stress wave exceeds the compressive stress wave, indicating that spalling is not being produced.

Wenn ein Projektil im Gegensatz zu einer Explosivstoffdetonation oder einer gerichteten Sprengladung die Aufschlagbelastung ausübt, wird eine Rechteckwelle (nicht gezeigt) erzeugt, die keine Zugspannung schafft, bis das Maximum beim halben Impulsabstand bei T-3 von Figur 4 auftritt.When a projectile applies the impact load, as opposed to an explosive detonation or a directed explosive charge, a square wave (not shown) is generated which creates no tensile stress until the maximum occurs at half the pulse spacing at T-3 of Figure 4.

Die Erzeugung eines Abplatzungsbruches ist abhängig von sowohl der Größe als auch der Dauer der Spannung. Eine ausreichende Zeit bei der ausreichenden Spannung werden benötigt, um zuerst Rißkeime zu bilden und um dann die Risse wachsen zu lassen. Ein Bruch ist deshalb abhängig von der Amplitude und der Form des Spannungsimpulses. Wenn die Bedingung der Spannungsintensität und der Zeit so sind, daß das Kriterium für einen Bruch erfüllt ist, dann werden die Abplatzungen gebildet. Wenn ein Bruch auftritt, wird die in dem Material zwischen dem Bruch und der Rückseite verbleibende Dehnungsenergie als kinetische Energie freigegeben, und die Abplatzungspartikel fliegen von der Rückseite, und zwar gewöhnlich mit signifikanter Geschwindigkeit. Die Geschwindigkeit ist theoretisch durch die Gleichung begrenzt V = 2M/DC, wobei M die Größe der Spannungswelle, D die Dichte des Materials und C die Materialschallgeschwindigkeit sind.The generation of a spalling fracture is dependent on both the magnitude and duration of the stress. Sufficient time at sufficient stress is required to first nucleate cracks and then to grow the cracks. Fracture is therefore dependent on the amplitude and shape of the stress pulse. If the condition of stress intensity and time are such that the criterion for fracture is met, then spalls are formed. When fracture occurs, the strain energy remaining in the material between the fracture and the back face is released as kinetic energy and the spalling particles fly from the back face, usually at significant speed. The speed is theoretically limited by the equation V = 2M/DC, where M is the magnitude of the stress wave, D is the density of the material and C is the material sound velocity.

Interaction of stress waves at interfaces

Wenn eine Spannungswelle eine Grenzfläche oder eine freie Oberfläche zwischen zwei ungleichen Materialien trifft, wie z.B. das Panzerplattenmaterial 20 (Fig. 5A, 5B und 6) und das Abplatzungsschichtmaterial 40 wird das Spannungswellenverhalten komplexer. Die einfachste Situation ist ein normaler Aufschlag durch ein Projektil mit einem Durchmeser derselben Größenordnung wie der Panzerplattendicke. Die Spannungswelle kann dann als eine Welle angesehen werden, die eine ebene Front hat und sich senkrecht zu der Fläche der Platte fortpflanzt. Wenn diese Welle eine Grenzfläche erreicht, wird im allgemeinen eine Welle reflektiert, und eine andere wird übertragen. Die Intensitäten der Wellen sind abhängig von den relativen Schallimpedanzen der zwei Materialien.When a stress wave strikes an interface or a free surface between two dissimilar materials, such as the armor plate material 20 (Figs. 5A, 5B and 6) and the spall layer material 40, the stress wave behavior becomes more complex. The simplest situation is a normal impact by a projectile with a diameter of the same order of magnitude as the armor plate thickness. The stress wave can then be viewed as a wave that has a plane front and propagates perpendicular to the face of the plate. When this wave When a sound reaches an interface, one wave is generally reflected and another is transmitted. The intensities of the waves depend on the relative acoustic impedances of the two materials.

Die Schallimpedanz (Z) eines Materials ist das Produkt der Schallgeschwindigkeit (C) in dem Material und seiner Dichte (D). Die Werte von Dichte und Schallgeschwindigkeit sind nicht konstant, sondern variieren in gewissem Maße mit dem Druck. Folglich kann die Impedanz mit dem Druck variieren und sich selbstverständlich ändern, wenn die Streckgrenze eines Materials überschritten wird. Im allgemeinen ist für die meisten vollständig dichten elastischen Materialien die Impedanz unterhalb der Streckwelle relativ konstant. Die Dichte, Schallgeschwindigkeit und Impedanz sind in Tabelle 1 für eine Anzahl von gewöhnlichen Materialien aufgeführt. Die Intensität der übertragenen und reflektierten Wellen von einer Spannungswelle, die auf eine innere Grenzfläche auftrifft, sind durch die folgenden Gleichungen gegeben: The acoustic impedance (Z) of a material is the product of the speed of sound (C) in the material and its density (D). The values of density and speed of sound are not constant but vary to some extent with pressure. Consequently, the impedance may vary with pressure and of course may change if the yield strength of a material is exceeded. In general, for most completely dense elastic materials, the impedance is relatively constant below the yield wave. The density, speed of sound and impedance are given in Table 1 for a number of common materials. The intensity of the transmitted and reflected waves from a stress wave impinging on an internal interface are given by the following equations:

wobei R = REFLEKTIERTE WELLENwhere R = REFLECTED WAVES

T = ÜBERTRAGENE WELLENT = TRANSMITTED WAVES

I = EINFALLENDE WELLENI = INCIDENT WAVES

Z = IMPEDANZ DES MATERIALSZ = IMPEDANCE OF THE MATERIAL

D = DICHTED = DENSITY

und wobei der Indexand where the index

1 = das Panzerungsmaterial1 = the armor material

2 = das Abplatzungsschichtmaterial2 = the spalling layer material

sind.are.

Übereinkunftsgemäß hat eine Druckspannung einen positiven Wert und eine Zugspannung einen negativen Wert.By convention, a compressive stress has a positive value and a tensile stress has a negative value.

Aus den obigen Gleichungen geht hervor, daß eine Druckspannungswelle als eine Zugspannungswelle in dem Panzerungsmaterial reflektiert wird, wenn die zweite Schicht oder das Schichtmaterial eine niedrigere Impedanz hat, wie in Figur 5A dargestellt; und als eine Druckspannungswelle, wenn das Schichtmaterial eine höhere Impedanz hat, wie in Figur 5B dargestellt. Die Amplitude der reflektierten Zugspannungswelle wird immer kleiner oder gleich der der einfallenden Druckspannungswelle sein.From the above equations, a compressive stress wave will be reflected as a tensile stress wave in the armor material if the second layer or layer material has a lower impedance, as shown in Figure 5A; and as a compressive stress wave if the layer material has a higher impedance, as shown in Figure 5B. The amplitude of the reflected tensile stress wave will always be less than or equal to that of the incident compressive stress wave.

Die relative Intensität der reflektierten Welle in dem Panzerungsmaterial ist auf die relative Impedanz des Abplatzungsschichtmaterials wie folgt bezogen:The relative intensity of the reflected wave in the armor material is related to the relative impedance of the spall layer material as follows:

Für ein Impedanzverhältnis (n) des Panzerungsmaterials gelten die folgenden Gleichungen: The following equations apply to an impedance ratio (n) of the armor material:

Dieses Verhältnis ist in Tabelle 2 tabellarisch aufgeführt, um zu veranschaulichen, wie eine zweite Schicht oder ein Schichtmaterial 40 (Fig. 6) verwendet werden kann, um die Größe der reflektierten Spannung zu reduzieren. Man kann sehen, daß ein Material mit nur einem Fünftel der Impedanz der ersten Schicht (Panzerungsmaterial) die reflektierte Zugspannung um mehr als 33% reduzieren kann. TABELLE 1 Dichte D, Schallgeschwindigkeit (C) und Impedanzwerte (Z) für ausgewählte Materialien MATERIAL Aluminium 6061-T6 Aluminium 2024 Aluminium Beryllium Messing Borcarbid (75% dicht) Siliziumcarbid (72% dicht) Wolframcarbid Kohlenstoff-Phenol) Chrom Cobalt Kupfer Epioxidharz Graphit (handelsüblich) Pyrolitisches Graphit Armco Eisen Lucite Magnesium Manganin Mylar Nickel Nylon Paraffin Phenol-Glasfaser (AVCO) Phenol-Glasfaser (GE) X-geschnittener kristalliner Quartz Plexiglas Polyethylen Polystyrol Polyurethan MATERIAL Schweißstahl (EN3) Teflon Zinn Titan Wolfram Uran / 3% Moly Zink Zirconium TABELLE 2 Reduzierung der reflektierten Zugspannung für eine gegebene relative Impedenz einer Schicht von Schicht- bzw. Hinterlegungsmaterial Impedanzverhältnis n % Reduzierung der reflektierten ZugspannungThis relationship is tabulated in Table 2 to illustrate how a second layer or layered material 40 (Fig. 6) can be used to reduce the magnitude of the reflected stress. It can be seen that a material with only one fifth the impedance of the first layer (armor material) can reduce the reflected tensile stress by more than 33%. TABLE 1 Density D, speed of sound (C) and impedance (Z) values for selected materials MATERIAL Aluminum 6061-T6 Aluminum 2024 Aluminum Beryllium Brass Boron Carbide (75% dense) Silicon Carbide (72% dense) Tungsten Carbide Carbon-Phenolic) Chromium Cobalt Copper Epoxy Graphite (commercial) Pyrolitic Graphite Armco Iron Lucite Magnesium Manganin Mylar Nickel Nylon Paraffin Phenolic Glass Fiber (AVCO) Phenolic Glass Fiber (GE) X-cut Crystalline Quartz Plexiglass Polyethylene Polystyrene Polyurethane MATERIAL Welding steel (EN3) Teflon Tin Titanium Tungsten Uranium / 3% Moly Zinc Zirconium TABLE 2 Reduction of reflected tensile stress for a given relative impedance of a layer of coating or backing material Impedance ratio n % Reduction of reflected tensile stress

Wenn die Panzerung 18 (Fig. 6) der vorliegenden Erfindung zur Unterdrückung von Abplatzungen für leichte gepanzerte Fahrzeuge sowie für schwer gepanzerte Fahrzeuge verwendet werden soll, ist es natürlich wünschenswert, jedes dem Fahrzeug hinzugefügte Gewicht zu minimieren. Demgemäß ist das Abplatzungsschichtmaterial nicht dafür ausgelegt, Brüche in dem Abplatzungsschichtmaterial 40 durch alle bekannten Waffen vollständig zu unterdrücken, sondern ist ausgelegt, ein Schichtmaterial zu schaffen, das, wenn es gebrochen wird, in Niederenergiepartikel geringer Eindringfähigkeit zerbricht, wenn die gepanzerte Platte und das Schichtmaterial durch eine Waffe getroffen werden, und zwar entweder einer Hohlladungswaffe oder eines Projektils. Man versteht natürlich, daß das Schichtmaterial in der Dicke erhöht werden kann oder in Schichten gleichen oder unterschiedlichen Schichtmaterials angeordnet werden kann, wenn hinzugefügtes Gewicht kein Problem ist.If the armor 18 (Fig. 6) of the present invention is to be used to suppress spalling for light armored vehicles as well as heavily armored vehicles, it is of course desirable to minimize any weight added to the vehicle. Accordingly, the spalling layer material is not designed to completely suppress fractures in the spalling layer material 40 by all known weapons, but is designed to provide a layer material that, when fractured, will break into low energy, low penetration particles when the armored plate and layer material are struck by a weapon, either a shaped charge weapon or a projectile. It will of course be understood that the layer material may be increased in thickness or arranged in layers of the same or different layer material if added weight is not a problem.

Das Konzept des Gegenstandes der Erfindung schließt das Hinterlegen einer Panzerplatte 20 mit einem Schichtmaterial 40 oder einer Reihe von Schichtmaterialien ein, die zwei Bedingungen erfüllen müssen. Erstens muß die Impedanz des Schichtmaterials so sein, daß die in der Panzerplatte 20 reflektierte Spannung unter der ist, die einen ausplatzungstypischen Ausfall der Panzerungsplatte hervorrufen würde. Zweitens müssen die Fragmente von dem Bruch des Schichtmaterials, die durch die übertragene Spannung hervorgerufen werden, nicht letal sein, d.h. von niedriger Masse und/oder Geschwindigkeit. Eine variierende Impedanz in dem Schichtmaterial kann verwendet werden, um die Spannungswelle in dem Schichtmaterial anzupassen, um eine Fragmentierung zu steuern. Die Impedanz kann entweder durch Anordnen in Schichten oder durch Steuern der Materialeigenschaften, und zwar kontinuierlich über ihre Dicken, variiert werden.The concept of the subject invention involves backing an armor plate 20 with a layered material 40 or a series of layered materials that must satisfy two conditions. First, the impedance of the layered material must be such that the stress reflected in the armor plate 20 is below that which would cause a spall-type failure of the armor plate. Second, the fragments from the fracture of the layered material caused by the transmitted stress must be non-lethal, i.e. of low mass and/or velocity. Varying impedance in the layered material can be used to adjust the stress wave in the layered material to control fragmentation. The impedance can be varied either by arranging them in layers or by controlling the material properties continuously across their thicknesses.

Eine Vorentwurfsanalyse wurde zum Identifizieren der Beziehung Zwischen den Entwurfsvariablen und den Systemgewichten durchgeführt. Als erstes wurde die Größe der Spannungswelle, die in das Abplatzungsschichtmaterial übertragen werden mußte, durch Vergleichen der Abplatzungsfestigkeit mit den bei einer Strahleindringung involvierten Spannungen geschätzt. Mit diesen Daten wurden die Eigenschaften des Abplatzungsschichtmaterials bestimmt.A preliminary design analysis was performed to identify the relationship between the design variables and the system weights. First, the magnitude of the stress wave that had to be transmitted into the spall layer material was estimated by comparing the spall strength with the stresses involved in jet penetration. With these data, the properties of the spall layer material were determined.

Die verwendeten Waffen waren Hohhladungs-TOW-II mit einem auf einer Aluminiumpanzerung auftreffenden Strahl. Eine 200 GPa (Giga Pascal)-Stoßwelle wurde erzeugt mit einer Impulszeitlänge von 1,175 Mikrosekunden, wobei die Stoßwelle aus dem Strahldurchmesser dividiert durch die Schallgeschwindigkeit in 5083-MIL-A-46027G(MR)-Aluminium mit einer Dicke von 25,4 mm (1 Inch) berechnet wurde. Es wurde angenommen, daß das Aluminium etwa dieselbe Abplatzungs-"Festigkeit" wie Stahl hatte, die Spannung ist soviel höher im Aluminium als seine Festigkeit ist, daß im wesentlichen die volle Amplitude der Spannungswelle in das Schichtmaterial übertragen werden muß.The weapons used were hollow charge TOW-IIs with a beam impinging on aluminum armor. A 200 GPa (Giga Pascal) shock wave was generated with a pulse time length of 1.175 microseconds, the shock wave being calculated as the beam diameter divided by the speed of sound in 5083-MIL-A-46027G(MR) aluminum with a thickness of 25.4 mm (1 inch). It was assumed that the aluminum had about the same spalling "strength" as steel, the stress is so much higher in the aluminum than its strength that essentially the full amplitude of the stress wave must be transmitted into the coating material.

Die Beziehung zwischen der Impedanz des Schichtmaterials 40 und der Flächendichte AD, die benötigt wird zum Unterdrücken von Abplatzungen in der Aluminiumpanzerung, wurde wie folgt abgeleitet:The relationship between the impedance of the layer material 40 and the areal density AD required to suppress spalling in the aluminum armor was derived as follows:

Es seien:They are:

Ins = Spannungsimpulswellenlänge in dem SchichtmaterialIns = voltage pulse wavelength in the layer material

Ial = Spannungsimpulswellenlänge im AluminiumIal = voltage pulse wavelength in aluminium

cns = Wellengeschwindigkeit in dem Schichtmaterialcns = wave velocity in the layer material

cal = Wellengeschwindigkeit im Aluminiumcal = wave speed in aluminium

th = Minimale Dicke jedes Schichtmaterials für einen Durchgang der vollen Spannungswelleth = Minimum thickness of each layer material for one pass of the full stress wave

d = Durchmesser des Hohlladungsstrahlesd = diameter of the shaped charge jet

Dns = Dichte des SchichtmaterialsDns = density of the layer material

tal = Zeitlänge der Spannungswelle im Aluminiumtal = time length of the stress wave in the aluminium

Zns = Schallimpedanz des SchichtmaterialsZns = acoustic impedance of the layer material

ADx = Minimale Flächendichte des Schichtmaterials "x" zum Durchgang der vollen Spannungswelle.ADx = Minimum surface density of the layer material "x" for the passage of the full stress wave.

Die Wellenlänge des Spannungsimpulses in der Aluminiumpanzerung kann abgeschätzt werden durch:The wavelength of the voltage pulse in the aluminum armor can be estimated by:

tal = d/caltal = d/cal

Ial = talcal = dIal = talcal = d

Die Wellenlänge in dem Schichtmaterial ist:The wavelength in the layer material is:

Ins = Ial(cns/cal)Ins = Ial(cns/cal)

Nimmt man an, daß das Schichtmaterial sich von dem Aluminium trennen wird, wenn die Spannungswelle die Grenzfläche erreicht, nachdem sie in der Spannung von der Rückseite des Schichtmaterials (weil die Grenzfläche eine signifikante Zugspannung nicht unterstützen kann) reflektiert wurde, und daß bei konservativer Betrachtung die gesamte Welle in das Schichtmaterial hineingelangen sollte, so gilt:Assuming that the film material will separate from the aluminum when the stress wave reaches the interface after being reflected in the stress from the back of the film material (because the interface cannot support significant tensile stress), and that conservatively the entire wave should enter the film material, then:

Ins = 2th oder th = (1/2)InsIns = 2th or th = (1/2)Ins

Ein Kombinieren der obengenannten drei Gleichungen ergibt die minimale Schichtmaterialdicke für jedes gegebene Material:Combining the above three equations gives the minimum layer thickness for any given material:

th = (d/2)cns/calth = (d/2)cns/cal

Die minimale Flächendichte (AD) des Schichtsystems kann wie folgt berechnet werden: (Gleichung 1) (Gleichung 2) The minimum areal density (AD) of the layer system can be calculated as follows: (Equation 1) (Equation 2)

Da der Strahldurchmesser d und die Aluminium-Wellengeschwindigkeit cal für jeden gegebenen Fall konstant sind, ist die minimale Flächendichte des Schichtsystems linear auf seine Impedanz bezogen. Wenn wiederum bei konservativer Betrachtung angenommen wird, daß es keine reflektierte Zugspannung im Aluminium geben darf, dann wird die optimale Schichtmaterial-Flächendichte die sein, wenn die Impedanz des Schichtmaterials zu der des Aluminiums paßt.Since the beam diameter d and the aluminum wave speed cal are constant for any given case, the minimum areal density of the layer system is linearly related to its impedance. Again, if it is conservatively assumed that there can be no reflected tensile stress in the aluminum, then the optimal layer material areal density will be when the impedance of the layer material matches that of the aluminum.

Example calculations

Nimmt man einen Strahldurchmesser von 9,5 mm (3/8 inch) gegen eine Aluminiumpanzerung mit Aluminium als einem Schichtmaterial (dazu angepaßte Impedanz), so kann die optimale Flächendichte wie folgt berechnet werden:If you take a beam diameter of 9.5 mm (3/8 inch) against an aluminum armor with aluminum as a layer material (adapted impedance), the optimal surface density can be calculated as follows:

Unter Verwendung von Gleichung (1) gilt: Using equation (1) we have:

Für Aluminium gilt Dns = 68,4 kg/m² (14 lb/ft²), was ergibt:For aluminum, Dns = 68.4 kg/m² (14 lb/ft²), which gives:

ADal = 12,82 kg/cm² (2,625 lb/ft²)ADal = 12.82 kg/cm² (2.625 lb/ft²)

Das gebrannte Aluminiumoxid, das sich bei einem Vortesten gut verhielt, würde ein Optimum aus Gleichung (2) erzielen (unter Berücksichtigung, daß ZAluminiumoxid/Zal = 2,33):The calcined alumina that performed well in a preliminary test would achieve an optimum from equation (2) (taking into account that ZAlumina/Zal = 2.33):

ADAluminiumoxid = (2,625 (2,33) = 6,116 lb/ft²) = 12,82 (2,33) = 29,86 kg/m².ADAluminum oxide = (2.625 (2.33) = 6.116 lb/ft²) = 12.82 (2.33) = 29.86 kg/m².

Die obengenannten Berechnungen zeigen, daß Aluminium ein leichteres Schichtmaterial als das vollständig gebrannte Aluminiumoxid sein würde. Das Aluminium ist jedoch nicht zerbrechlich. Während das Aluminiumschichtmaterial erfolgreich die Spannungswelle aus der Aluminiumpanzerplatte oder der Hüllenstruktur eines Fahrzeuges herausleiten würde, könnte das Aluminiumschichtmaterial selbst stark eindringende Abplatzungen erzeugen.The above calculations show that aluminum would be a lighter layer material than the fully fired aluminum oxide. However, aluminum is not fragile. While the aluminum layer material would successfully conduct the stress wave out of the aluminum armor plate or the hull structure of a vehicle, the aluminum layer material itself could produce severely penetrating spalling.

Diese Entwurfsmethodologie schlägt auch die Vorteile eines metallischen oder mit keramischen Partikeln beladenen Polymers vor. In diesem Fall können die individuellen Partikel eine höhere Schallimpedanz haben als die Panzerung. Wenn die Partikel jedoch mit einem Polymer kombiniert werden, muß der Partikelgehalt ausreichend sein, um zu sichern, daß die Partikel-/Polymermischung einen Impedanzwert aufweist, der ausreichend ist, um die reflektierte Zugspannung unter die zu reduzieren, die benötigt wird, um Abplatzungen zu bilden. Eine Partikel-/Polymermischung kann auch den Vorteil des direkten Klebens an der Panzerung ohne die Notwendigkeit eines Zwischenklebers nutzen.This design methodology also suggests the benefits of a metallic or ceramic particle loaded polymer. In this case, the individual particles may have a higher acoustic impedance than the armor. However, when the particles are combined with a polymer, the particle content must be sufficient to ensure that the particle/polymer blend has an impedance value sufficient to reduce the reflected tensile stress below that required to form spalls. A particle/polymer blend may also have the advantage of bonding directly to the armor without the need for an intermediate adhesive.

Ein Festkörper mit niedriger Spannungsdichte, der in einer spröden Art bricht und der eine geeignete Impedanz hat, kann auch verwendet werden. Zum Beispiel weist ein festes polykristallines Natriumchlorid (NaCl) bei einer 12,7 mm (1/2 inch) Dicke eine unterdrückte Abplatzungsbildung in einer Aluminiumpanzerung auf, wenn es an der Rückseite der Panzerplatte bondiert ist.A solid with a low stress density that breaks in a brittle manner and that has a suitable impedance can also be used. For example, a solid polycrystalline sodium chloride (NaCl) at a 12.7 mm (1/2 inch) thickness exhibits suppressed spalling in aluminum armor when bonded to the back of the armor plate.

Tests sind durchgeführt worden, um den Einfluß der Dicke des Abplatzungsschichtmaterials, der Waffengröße, der Einfallschräge, der Panzerungslegierung und der Panzerungsdicke auf das Leistungsverhalten verschiedener Schichtmaterialien zu untersuchen. Die allgemeine Prozedur besteht aus einem Bondieren des Schichtmaterials 40 (Fig. 6) an der Panzerungsplatte 20 mit einem Kleber, die zusammen ein Stück einer Panzerung 18 zur aktiven Unterdrückung von Abplatzungen in der Form eines Zieles 50 (Fig. 3) darstellt. Das Ziel ist an einem Prüfstand 52 befestigt, und das Ziel 50 und ein Indikatorblatt 54 unterliegen einem Gefechtskopf-Beschuß. Grundlinienziele von nichthinterlegten und beschichtungshinterlegten Panzerungsplatten wurden für Vergleichszwecke ebenfalls getestet. Die Indikatorblätter 54 wurden hinter dem Prüfstand angeordnet, um die Verteilung von Abplatzungs- und Strahlpartikeln aufzuzeichnen.Tests have been conducted to investigate the influence of spall layer material thickness, weapon size, slope of incidence, armor alloy, and armor thickness on the performance of various layer materials. The general procedure consists of bonding the layer material 40 (Fig. 6) to the armor plate 20 with an adhesive, which together form a piece of actively spall suppressing armor 18 in the form of a target 50 (Fig. 3). The target is attached to a test stand 52, and the target 50 and an indicator sheet 54 are subjected to warhead fire. Baseline targets of unbacked and coating-backed armor plates were also tested for comparison purposes. The indicator sheets 54 were placed behind the test stand to record the distribution of spall and blast particles.

The improved armor for active spalling suppression

Die verbesserte Panzerung zur aktiven Abplatzungsunterdrückung der vorliegenden Erfindung offenbart zwei Systeme zum Unterdrücken der Bildung von Abplatzungen. Ein erstes System ist ein Einschichtsystem 80 (Fig. 8), das eine einzige Schicht (oder zwei oder mehr dünne Platten, um die einzige Schicht aufzubauen) verschiedener vorgewählter Typen von Abplatzungsschichtmaterial 82 verwendet, das vorzugsweise an der inneren Wand 84 der Panzerungsplatte 86 (manchmal als das Ziel bezeichnet) durch eine Zwischenschicht 88 eines Klebers bondiert ist. Das zur Bildung des Abplatzungsschichtsystems verwendete Material unterscheidet sich von dem zuvor beschriebenen und schafft eine verbesserte Abplatzungsunterdrückung mit Abplatzungsschichtmaterialien reduzierten Gewichtes.The improved active spall suppression armor of the present invention discloses two systems for suppressing the formation of spalls. A first system is a single layer system 80 (Fig. 8) which uses a single layer (or two or more thin sheets to make up the single layer) of various preselected types of spall layer material 82, preferably bonded to the inner wall 84 of the armor plate 86 (sometimes referred to as the target) by an intermediate layer 88 of adhesive. The material used to form the spall layer system is different from that previously described and provides an improved Spalling suppression with reduced weight spalling layer materials.

Das zweite System ist ein Doppelschichtsystem 90 (Fig. 9), das demselben Typ eines Abplatzungsschichtmaterials 82a an der Panzerungsplatte 86a durch eine Zwischenschicht 88a eines Klebers bondiert. Zusätzlich weist das zweite System eine zweite Platte oder Beschichtung 92a auf, die von dem Abplatzungsschichtmaterial 80a zum Bekämpfen von Sekundärpartikeln des Strahls und der Panzerung, von der Eindringgrenzfläche durch das Vorhandensein der aktiven Schicht zur Abplatzungsunterdrükkung gestört werden.The second system is a dual layer system 90 (Fig. 9) that has the same type of spall layer material 82a bonded to the armor plate 86a by an intermediate layer 88a of adhesive. In addition, the second system includes a second plate or coating 92a that is separated from the spall layer material 80a for combating secondary particles of the jet and the armor from the penetration interface by the presence of the active layer for spall suppression.

In dem Einschichtsystem 80 (Fig. 8) ist das Primärabplatzungsschichtmaterial 82 in Kontakt mit der Armierungsplatte 86 angeordnet und kann daran bondiert sein, falls gewünscht, durch eine Zwischenschicht 88 eines Klebers. In alternativer Weise kann die klebrige Natur der Polymermatrix des Schichtmaterials als ein Kleber verwendet werden, wenn es auf dem Schichtmaterial aufgebracht wird, bevor es ausgehärtet ist. Vor einem Aushärten kann das Schichtmaterial auf die Panzerungsplatte gesprüht oder angeworfen werden. In alternativer Weise kann das aus einer Polymermatrix bestehende Schichtmaterial in Platten gegossen werden, die man aushärten läßt, und danach an die Panzerungsplatte 86 mit Bolzen befestigt werden. Das Abplatzungsschichtmaterial wird aus Materialien derart gebildet, daß die Komposithinterlegungsschicht eine Impedanz hat, die so ausgelegt ist, daß die Zugspannung unter die reduziert wird, die für eine Abplatzungsbildung benötigt wird. Das Abplatzungsschichtmaterial bricht auf in feine nichteindringende Fragmente niedriger Energie nach einem Absorbieren der Stoßwelle.In the single layer system 80 (Fig. 8), the primary spall layer material 82 is placed in contact with the armor plate 86 and may be bonded thereto, if desired, by an intermediate layer 88 of adhesive. Alternatively, the tacky nature of the polymer matrix of the layer material may be used as an adhesive when applied to the layer material before it is cured. Prior to curing, the layer material may be sprayed or cast onto the armor plate. Alternatively, the polymer matrix layer material may be cast into sheets which are allowed to cure and then bolted to the armor plate 86. The spall layer material is formed from materials such that the composite backing layer has an impedance designed to reduce the tensile stress below that required for spall formation. The spalling layer material breaks up into fine non-penetrating fragments of low energy after absorbing the shock wave.

Die Abplatzungsschichtmaterialien, die in der parallelen Anmeldung, auf die hier Bezug genommen wurde, getestet wurden, waren hauptsächlich Aluminiumoxidkeramiken, wohingegen das Abplatzungsschichtmaterial der vorliegenden Erfindung hauptsächlich mit Metall- und Keramikpulver beladene Polymerkomposite waren.The spall layer materials tested in the copending application incorporated herein by reference were primarily alumina ceramics, whereas the spall layer material of the present invention was primarily polymer composites loaded with metal and ceramic powder.

Abplatzungen, die von einer Panzerplatte erzeugt werden, die für Kampffahrzeuge verwendet wird, im Ergebnis einer Überwindung durch Hohlladungs- oder Projektilangriffe tragen vielleicht am stärksten zu Verlusten und Toten durch Beschuß bei. Abplatzungen bestehen aus einer Wolke von Hochgeschwindigkeitsfragmenten, die von der hinteren Oberfläche einer Panzerplatte infolge eines Aufschlages auf der Vorderoberfläche abgesprengt werden. Das vorliegende Verfahren des Standes der Technik zur Verhinderung von Schaden durch Abplatzungen besteht darin, aramidfaserverstärkte Kunststoffbeschichtungen (manchmal als Tafeln oder Platten bezeichnet) hinter der Panzerung anzuordnen, um die Abplatzungsteilchen aufzufangen. Diese Beschichtungen, die zur Anwendung in gepanzerten Personentransport- und Kampffahrzeugen spezifiziert sind, benötigen einen signifikanten Raum für eine Effizienz bezüglich der Besatzungsmitglieder und für das Montieren von Ausrüstungsteilen an den inneren Fahrzeugoberflächen und haben eine begrenzte Fähigkeit, nach einem einzigen Treffer zu funktionieren.Spalling produced by armor plate used on combat vehicles as a result of being overcome by shaped charge or projectile attacks is perhaps the largest contributor to casualties and deaths from fire. Spalling consists of a cloud of high-velocity fragments blasted from the rear surface of an armor plate as a result of impact on the front surface. The current prior art method for preventing spalling damage is to place aramid fiber reinforced plastic coatings (sometimes referred to as panels or sheets) behind the armor to capture the spalling particles. These coatings, specified for use in armored personnel carriers and combat vehicles, require significant space for crew efficiency and for mounting equipment on the interior vehicle surfaces and have a limited ability to function after a single hit.

Diese Raumaspekte sind besonders wichtig dahingehend, daß das innere Volumen sehr begrenzt ist bei den meisten leichten und bei allen schweren gepanzerten Kampffahrzeugen. Bei Personentransportfahrzeugen sind die Beschichtungen manchmal 16 Inch von der inneren Oberfläche der Panzerplatte auf einem Gleitschienensystem (für einen Zugang hinter den Beschichtungen) montiert, dessen Gewicht gleich dem der Beschichtungstafeln ist. Für die meisten Anwendungen in Kampffahrzeugen wird ein 10,16 cm (4 Inch)-Abstand verwendet, der die Effizienz begrenzt. Es wäre sehr wünschenswert, einiges oder das gesamte dieses verlorenen Volumens ohne einen Verlust an Schutz zurückzugewinnen. In beiden Typen von leichten Fahrzeugen gibt es signifikante Bereiche, wie z.B. Turm und Fahrerbereiche, bei denen ein Schutz entweder begrenzt ist oder infolge des Mangels an Raum für irgendwelche beabstandeten Beschichtungen nicht vorhanden ist. Alle Käufer von gepanzerten Fahrzeugen wären an raum- und gewichtseffizienten Systemen zur Abplatzungsunterdrückung zu vernünftigen Kosten interessiert.These space considerations are particularly important in that the internal volume is very limited in most light and all heavy armored fighting vehicles. In personnel carriers, the platings are sometimes mounted 16 inches from the inner surface of the armor plate on a sliding rail system (for access behind the platings) whose weight is equal to that of the plating panels. For most combat vehicle applications, a 10.16 cm (4 inch) spacing is used, which limits efficiency. It would be highly desirable to regain some or all of this lost volume without a loss of protection. In both types of light vehicles, there are significant areas, such as the turret and driver areas, where protection is either limited or nonexistent due to lack of room for any spaced plating. All purchasers of armored vehicles would be interested in space and weight efficient spall suppression systems at a reasonable cost.

Das Primärabplatzungsschichtmaterial 82 (Fig. 8) und 82a (Fig. 9) ist in Kontakt mit der Panzerung angeordnet und hat eine Impedanz, die derart angepaßt ist, daß die reflektierte Zugspannung unter die reduziert wird, die für eine Abplatzungsbildung benötigt wird. Dieses Schichtmaterial bricht auf in feine nichteindringende Fragmente niedriger Energie nach einem Absorbieren der Stoßwelle. Dieses Material besteht vorzugsweise aus metallpulver-gefüllten Polymeren oder Fasern und Whiskern, die Metallpulver können jedoch mit keramischen und Glaspulvern gemischt werden. Eine relativ leichte Sekundärplatte 92a (Fig. 9) aus verschiedenem Material, die 2,54 cm oder 5,08 cm (1 oder 2 Inch) von der Panzerung 86a beabstandet ist, kann verwendet werden, um vollständig Sekundärpartikel eines herausgerissenen Strahles und einer gebrochenen Panzerung zu unterdrücken. Dieses System 90 hat ein verbessertes Leistungsverhalten bei kurzen beabstandeten Räumen im Vergleich zu Beschichtungen des Standes der Technik demonstriert.The primary spall layer material 82 (Fig. 8) and 82a (Fig. 9) is placed in contact with the armor and has an impedance that is matched to reduce the reflected tensile stress below that required for spall formation. This layer material breaks up into fine, non-penetrating, low energy fragments after absorbing the shock wave. This material is preferably made of metal powder-filled polymers or fibers and whiskers, but the metal powders can be mixed with ceramic and glass powders. A relatively light secondary plate 92a (Fig. 9) of different material spaced 2.54 cm or 5.08 cm (1 or 2 inches) from the armor 86a can be used to completely suppress secondary particles of a torn-out jet and fractured armor. This system 90 has demonstrated improved performance in short spaced spaces compared to state of the art coatings.

Wie zuvor angegeben, jedoch in einer unterschiedlichen Art festgestellt, können Abplatzungen als eine Wolke von Hochgeschwindigkeitsfragmenten gebrochenen Materials charakterisiert werden, das von der Rückfläche einer Panzerplatte 86 (Fig. 8) infolge einer Impulsbelastung auf der Vorderfläche dieser Platte abgesprengt werden. Der Impuls rührt typischerweise von dem Aufschlag eines Hochgeschwindigkeitsprojektils oder eines Hohlladungsstrahles und seines wie durch den Angriffspfeil 94 in Fig. 8 angezeigten Stoß her. Der Impuls induziert eine Druckstoßwelle, die sich durch die Panzerplatte 86 ausbreitet und als eine Zugspannungswelle von der freien Rückfläche reflektiert wird. Die reflektierte Druckspannungswelle ist der einfallenden Druckspannungswelle überlagert, bis bei einem gewissen Abstand von der Rückfläche die Zugspannung auf ein Niveau steigt, das ausreichend ist, um eine Bruchteilbildung und ein Bruchwachstum zu bewirken. Zu dieser Zeit wird die in dem Material zwischen der Bruchebene und der Rückfläche verbleibende Dehnungsenergie als kinetische Energie freigegeben, und die Abplatzungspartikel werden mit signifikanter kinetischer Energie abgesprengt.As previously stated, but stated in a different manner, spalling may be characterized as a cloud of high-velocity fragments of fractured material ejected from the back surface of an armor plate 86 (Fig. 8) as a result of an impulse load on the front surface of this plate. The impulse typically results from the impact of a high velocity projectile or shaped charge jet and its shock as indicated by the attack arrow 94 in Fig. 8. The impulse induces a compression shock wave which propagates through the armor plate 86 and is reflected as a tensile stress wave from the free back surface. The reflected compression stress wave is superimposed on the incident compression stress wave until, at some distance from the back surface, the tensile stress increases to a level sufficient to cause fracture formation and fracture growth. At this time, the strain energy remaining in the material between the fracture plane and the back surface is released as kinetic energy and the spall particles are blasted off with significant kinetic energy.

Wenn eine Stoßwelle mit einer Grenzfläche zusammenwirkt, wie z.B. einer Zwischenschicht 88 zwischen zwei Materialien, ist die Situation beträchtlich komplexer. Als eine Veranschaulichung sei eine ebene Welle betrachtet, die senkrecht zu der Grenzfläche läuft. Wenn die Welle auf die Grenzfläche trifft, wird sich sowohl eine übertragene als auch eine reflektierte Welle bilden. Die Intensität und das Vorzeichen (Zug- oder Druckspannung) der übertragenen und reflektierten Wellen sind eine Funktion der Schallimpedanz des Materials (die Impedanz ist das Produkt der Dichte und der Schallgeschwindigkeit des Materials). Zum Beispiel kann die relative Intensität der Reflexionswelle im Vergleich mit der einfallenden Welle als eine Funktion der relativen Impedanz des Schichtmaterials 82 im Vergleich zu der der Panzerplatte 86 ausgedrückt werden.When a shock wave interacts with an interface, such as an interlayer 88 between two materials, the situation is considerably more complex. As an illustration, consider a plane wave traveling perpendicular to the interface. When the wave hits the interface, both a transmitted and a reflected wave will be formed. The intensity and sign (tensile or compressive stress) of the transmitted and reflected waves are a function of the acoustic impedance of the material (impedance is the product of the density and the speed of sound of the material). For example, the relative intensity of the reflected wave compared to the incident wave can be expressed as a function of the relative impedance of the layer material 82 compared to that of the armor plate 86.

Das Impedanzverhältnis (n) wird durch die folgende Formel bestimmt, in der Z&sub1; die Schallimpedanz der Panzerplatte 86 ist, bei der Z&sub2; die Schallimpedanz des Schichtmaterials ist, bei der der Index r und i sich auf reflektierte und einfallende Welle beziehen und wobei der Buchstabe "a" sich auf die Spannungsamplitude bezieht.The impedance ratio (n) is determined by the following formula, where Z1 is the acoustic impedance of the armor plate 86, where Z2 is the acoustic impedance of the layer material, where the subscript r and i refer to reflected and incident wave, and where the letter "a" refers to the voltage amplitude.

Wie man sehen kann, ist, wenn n kleiner als 1 ist (d.h. wo das Schichtmaterial 82 eine Impedanz bat, die unter der der Panzerplatte 84 ist), dann ist die reflektierte Welle eine Zugspannungswelle mit einem Bruchteil der Amplitude der einfallenden Welle; für n = 1 gibt es keine reflektierte Welle; und für n, das größer als 1 ist, ist die reflektierte Welle eine Druckspannungswelle.As can be seen, if n is less than 1 (i.e., where the layer material 82 has an impedance less than that of the armor plate 84), then the reflected wave is a tensile stress wave with a fraction of the amplitude of the incident wave; for n = 1 there is no reflected wave; and for n greater than 1 the reflected wave is a compressive stress wave.

Obwohl ein vollständiges Eliminieren von Abplatzungen oder Bruchstükken in der Panzerplatte 86 und in dem Schichtmaterial 82 wünschenswert erscheint, ist das dem Fahrzeug hinzugefügte Gewicht zu beanstanden. Im Gegenteil, das Schichtmaterial der vorliegenden Erfindung ist zerbrechlich oder ist eine Schicht mit niedriger Festigkeit, die nach einem Unterdrücken von Abplatzungen in der Panzerung in Partikel kleiner Masse und/oder Geschwindigkeit und niedriger Eindringfähigkeit zerbricht. Die Anforderungen an das Schichtmaterial 82, 82a sind dann: 1) Die Impedanz des Schichtmaterials muß so sein, daß die in die Panzerplatte reflektierte Spannung unter der ist, die Panzerplattenabplatzungen hervorrufen würde; und 2) die Fragmente von dem Bruch des Schichtmaterials (bewirkt durch die übertragene Spannung) müssen eine niedrige Eindringkapazität haben.Although complete elimination of spalling or fragments in the armor plate 86 and in the laminated material 82 appears desirable, the weight added to the vehicle is objectionable. On the contrary, the laminated material of the present invention is fragile or is a low strength layer which, after suppressing spalling in the armor, breaks into particles of low mass and/or velocity and low penetration capacity. The requirements for the laminated material 82, 82a are then: 1) the impedance of the laminated material must be such that the stress reflected into the armor plate is below that which would cause armor plate spalling; and 2) the fragments from the fracture of the laminated material (caused by the transmitted stress) must have a low penetration capacity.

Es ist dann herausgefunden worden, daß eine Wechselwirkung zwischen dem Strahl und dem Schichtmaterial auftritt, was bewirkt, daß feine fliegende Ziel- und Strahlpartikel hinter der Panzerung gestreut werden.It was then found that an interaction between the beam and the coating material occurs, causing fine flying target and beam particles to be scattered behind the armor.

Es ist unklar, welcher Mechanismus diesen Effekt bewirkt, zwei Möglichkeiten sind jedoch betrachtet worden. Eine Erklärung ist, daß die Stoßwellen in der Nähe der Eindringung ein örtliches Aufbrechen der Strahl/Panzerungseindring-Grenzfläche bewirken. Der andere ist, daß eine Druckentlastung, wenn der Strahl die Rückfläche des Schichtmaterials 82 (Fig. 8) und 82a (Fig. 9) durchdringt, eine Seitenkraft auf das Strahl- und Zielmaterial ausübt, die Teile davon durch den Eindringprozeß trägt. Die Anzahl und die Verteilung dieser Partikel ist signifikant reduziert worden, obwohl nicht eliminiert, durch eine fortgesetzte Entwicklung des Primärschichtmaterials. Die verbleibenden Partikel können bekämpft werden mit der relativ dünnen Sekundärplatte 92a (Fig. 9), die z.B. 2,54 bis 10,16 cm (1 bis 4 inch) von der Rückseite der Panzerplatte 84a beabstandet ist. Das Doppelschichtsystem 90 hat in Verbindung mit einer Aluminiumpanzerung mit einem Abstand von 50,8 mm (2 inch) ein is nominell gleiches Leistungsverhalten bei niedrigerem Gewicht im Vergleich mit dem Aramidfasersystem in Kontakt oder mit einem Abstand von 10,16 cm (4 inch) demonstriert.It is unclear what mechanism causes this effect, but two possibilities have been considered. One explanation is that the shock waves near the penetration cause a local disruption of the jet/armor penetration interface. The other is that a pressure release as the jet penetrates the back surface of the layer material 82 (Fig. 8) and 82a (Fig. 9) exerts a side force on the jet and target material, carrying portions of it through the penetration process. The number and distribution of these particles has been significantly reduced, although not eliminated, by continued development of the primary layer material. The remaining particles can be combated with the relatively thin secondary plate 92a (Fig. 9) spaced, for example, 2.54 to 10.16 cm (1 to 4 inches) from the back surface of the armor plate 84a. The 90 dual layer system, when coupled with aluminum armor at 2 inch (50.8 mm) pitch, has demonstrated nominally equivalent performance at lower weight when compared to the aramid fiber system in contact or at 4 inch (10.16 cm) pitch.

Wie zuvor erwähnt, haben die Primärschichtmaterialien einen Fortschritt genommen von kommerziellen Aluminiumoxidkeramiken zu keramik- und metallpulverbeladenen Polymerkompositen.As previously mentioned, the primary layer materials have progressed from commercial alumina ceramics to ceramic and metal powder-loaded polymer composites.

Die pulverbeladenen Komposite, insbesondere die mit Metall beladenen Komposite, sind die Materialien der Wahl aus zwei Hauptgründen. Als erstes erzielen sie eine reduzierte Verteilung bzw. Streuung der Hypergeschwindigkeitspartikel, wie oben diskutiert. Als zweites wurde gefunden, daß die Flächendichte der Schichtmaterialien proportional ihrer Impedanz ist; die Komposite erlauben ein Anpassen der Schichtmaterialimpedanzen an optimale Werte.The powder-loaded composites, especially the metal-loaded composites, are the materials of choice for two main reasons. First, they achieve a reduced dispersion of the hypervelocity particles, as discussed above. Second, it has been found that the areal density of the layered materials is proportional to their impedance; the composites allow the layered material impedances to be tailored to optimal values.

Während das Leistungsverhalten des vorliegenden Einschichtsystems 80 (Fig. 8) und des Doppelschichtsystems 90 (Fig. 9) bereits zufriedenstellend ist, gibt es ein Potential für ein Eliminieren der Sekundärschicht 92a (Fig. 9) mit einer folglichen Reduzierung im Gewicht, Raum, des Montierens von Ausrüstung und der Komplexität. Das würde einen Hauptdurchbruch in der Auslegung kleiner Beschichtungen darstellen und eine Anwendung auf irgendeine innere Oberfläche eines gepanzerten Fahrzeuges möglich machen.While the performance of the present single layer system 80 (Fig. 8) and double layer system 90 (Fig. 9) is already satisfactory, there is potential for eliminating the secondary layer 92a (Fig. 9) with a consequent reduction in weight, space, equipment mounting and complexity. This would represent a major breakthrough in small coating design and would enable application to any interior surface of an armored vehicle.

Beim Testen bis heute wurde eine reduzierte Streuung von Hypergeschwindigkeitspartikeln bei Schichtmaterialien 82 (Fig. 8) beobachtet, die mit Metallpulvern (Kupfer- oder Stahllegierungen) beladen waren, im Vergleich mit denen, die mit Aluminiumoxidpulvern beladen waren, wenn beide Materialien ähnliche Impedanzwerte haben. Die volumenprozentrale Beladung mit Metallpulvern ist etwa halb so groß wie die mit Aluminiumoxidpulver infolge der viel höheren Dichte der Metalle. Die metallbeladenen Komposite haben auch niedrige Elastizitätsmodule. Während es gegenwärtig unbekannt ist, welche mechanischen Eigenschaften die Strahl/Zielwechselwirkung steuert, scheint es so zu sein, daß eine reduzierte Partikelbeladung zu einer reduzierten Wechselwirkung führen wird.In testing to date, reduced scattering of hypervelocity particles has been observed for layered materials 82 (Fig. 8) loaded with metal powders (copper or steel alloys) compared to those loaded with alumina powders when both materials have similar impedance values. The volume per center loading with metal powders is about half that with alumina powders due to the much higher density of the metals. The metal loaded composites also have low elastic moduli. While it is currently unknown what mechanical properties control the beam/target interaction, it appears that reduced particle loading will result in reduced interaction.

Beim gegenwärtigen Stand der Polymerwissenschaft sollten die viskoelastischen Eigenschaften der Schichtmaterialmatrix so angepaßt werden, daß die geforderte Impedanz erhalten werden könnte bei einer geringeren Partikelbeladung, wodurch potentiell die Abplatzungsabtrennung begrenzt wird und auch das Erfordernis nach einer Sekundärplatte 92a, wie in Fig. 9 gezeigt, eliminiert wird. Die Eliminierung oder Reduzierung der Metall- oder Keramikfüller wird leichtere kompaktere Entwürfe mit weniger menschlichen Faktoren und Sicherheitsüberlegungen bezüglich eines Inhalierens kleiner Hypergeschwindigkeitspartikel oder Pulver nach einem Angriff schaffen.With the current state of polymer science, the viscoelastic properties of the layered material matrix should be tailored so that the required impedance could be obtained at a lower particle loading, thereby potentially limiting spall separation and also eliminating the need for a secondary plate 92a as shown in Fig. 9. The elimination or reduction of the metal or ceramic fillers will allow for lighter, more compact designs with fewer human factors and safety considerations regarding inhaling small hypervelocity particles or powder after an attack.

Der Durchgang einer Stoßwelle durch eine Polymermatrix ist ein komsplexer Vorgang, der von einer Anzahl von Faktoren abhängt. Polymere sind viskoelastisch ihrer Natur nach: Das heißt ihre mechanischen Eigenschaften, wie zum Beispiel komplexe Schermodule (G*), komplexer Elastizitätsmodul (G') und komplexer Schubverlustmodul (G"), sind festgelegt und temperaturempfindlich. Diese Eigenschaften beeinflussen auch die Impedanz des Materials, wie nachfolgend gezeigt.The passage of a shock wave through a polymer matrix is a complex process that depends on a number of factors. Polymers are viscoelastic in nature: that is, their mechanical properties, such as complex shear moduli (G*), complex elastic modulus (G') and complex shear loss modulus (G"), are fixed and temperature sensitive. These properties also affect the impedance of the material, as shown below.

Die mechanische Impedanz eines Polymerelementes zu einer Spannungswelle ist die Summe von zwei Komponenten, die durch den Ausdruck gegeben ist:The mechanical impedance of a polymer element to a stress wave is the sum of two components, which is given by the expression :

Zm = Rm + IXmZm = Rm + IXm

wobei der Wert von Zm die charakteristische Impedanz, Rm der mechanische Widerstand und Xm die mechanische Reaktanz sind.where the value of Zm is the characteristic impedance, Rm is the mechanical resistance and Xm is the mechanical reactance.

Diese Komponenten sind gegeben durch: These components are given by:

wobei G' und G" die obenbeschriebenen visoelastischen Eigenschaften sind. Wie man sehen kann, kann ein Anpassen der Impedanz durch eine Steuerung der viskoelastischen Eigenschaften verwirklicht werden. Füller und Plastizierer können signifikant die viskoelastischen Eigenschaften und ihre Größen-Temperatur-Abhängigkeit sowie andere mechanische Reaktionen wie z.B. Bruchzähigkeit beeinflussen. Das Leistungsverhalten der Polymerphase innerhalb des Schichtmaterials 82 und das des beladenen Polymers werden deshalb auf ihren spezifischen Zusammensetzungen, der Umgebungstemperatur und der Eindringgeschwindigkeit des Strahles oder des Projektils beruhen.where G' and G" are the viscoelastic properties described above. As can be seen, impedance tuning can be achieved by controlling the viscoelastic properties. Fillers and plasticizers can significantly affect the viscoelastic properties and their size-temperature dependence as well as other mechanical responses such as fracture toughness. The performance of the Polymer phase within the layer material 82 and that of the loaded polymer will therefore be based on their specific compositions, the ambient temperature and the penetration velocity of the jet or projectile.

Ein verbessertes Leistungsverhalten wird mit Polymeren erhalten, die einen hohen Energieverlust und ein Dämpfen zeigen. Eine Wechselwirkung der Stoßwellen in der Nähe der Strahl-(oder der Projektil)-Eindringung ist dann begrenzt, und die Wechselwirkung des Strahles/Schichtmaterials wird unterdrückt. Materialien mit sekundären Bruchzähigkeitsmechanismen sollten auch das Leistungsverhalten durch eine größere Energieabsorption verbessern.Improved performance is obtained with polymers that exhibit high energy loss and damping. Shock wave interaction near the jet (or projectile) penetration is then limited and jet/layer material interaction is suppressed. Materials with secondary fracture toughening mechanisms should also improve performance through greater energy absorption.

Die in der Anmeldung, auf die Bezug genommen worden ist, durchgeführte Anfangsarbeit konzentrierte sich ausschließlich auf keramische Materialien. Vollständig gebranntes, ungebranntes und biskuit-gebranntes Aluminiumoxid funktionierten alle beim Unterdrücken von Abplatzungen bei einer Aluminiumpanzerplatte. Die Winkelverteilung und die Energie von Abplatzungsteilchen und anderer Teilchen hinter der Panzerung wird gemessen durch Überprüfung der Eindringlöcher in einem dünnen Stahlblech, das ein Indikatorblech genannt wird, wie z.B. ein Blech 54 (Fig. 3). Das Blech (nicht gezeigt in Fig. 8) ist um eine gewisse Entfernung hinter der Panzerplatte 86 und dem Schichtmaterial 82 angeordnet. Während Abplatzungen bei dem Schichtmaterial eliminiert wurden und der Winkel der Verteilung eines auf den Indikatorplatten gezeigten Schadens sich im Vergleich zu einer nichthinterlegten Panzerplatte 86 verringert, gibt es noch eine signifikante Anzahl von Eindringungen bzw. Durchdringungen in der Indikatorplatte, wenn keramische Materialien verwendet werden.The initial work done in the referenced application focused exclusively on ceramic materials. Fully fired, unfired and biscuit fired alumina all worked to suppress spalling in aluminum armor plate. The angular distribution and energy of spalling particles and other particles behind the armor is measured by examining penetration holes in a thin steel sheet called an indicator sheet, such as sheet 54 (Fig. 3). The sheet (not shown in Fig. 8) is positioned some distance behind the armor plate 86 and the layer material 82. While spalling has been eliminated in the layered material and the angle of distribution of damage shown on the indicator plates is reduced compared to an unbacked armor plate 86, there are still a significant number of penetrations or penetrations in the indicator plate when ceramic materials are used.

Die Natur der Indikatorplatteneindringungen von dem Abplatzungsschichtmaterial 82 und/oder der Panzerplatte 86 ist beträchtlich unterschiedlich gegenüber Abplatzungseindringungen von einer Panzerplatte ohne Abplatzungsschichtmaterial, wie in den Fig. 10-13 dargestellt. Ein Eindringloch von einem Abplatzungspartikel von einer Panzerplatte allein zeigt nur eine Scherlippe in der Richtung der Eindringung. Die Durchmesser von der Eindringung von einer Panzerplatte 86 und einem Schichtmaterial 82 waren kleiner und zeigen eine angehobene Kante an sowohl der Vorderseite als auch der Rückseite des Bleches, und zwar typischerweise von einer Hypergeschwindigkeitseindringung. Kleine durch diese Partikel in Stahlplatten gebildete Vertiefungen wurden analysiert. Sowohl Aluminium als auch Kupfer wurden gefunden, was anzeigt, daß eine Wechselwirkung zwischen dem Kupferstrahlschlag und dem Abplatzungsschichtmaterial auftritt, was eine Streuung von feinen Partikeln von der Panzerplatte 86 und dem gerichteten Hohlladungsstrahl (nicht gezeigt) hinter der Platte 86 bewirkt.The nature of the indicator plate penetrations from the spall layer material 82 and/or armor plate 86 is considerably different from spall penetrations from armor plate without spall layer material, as shown in Figures 10-13. A penetration hole from a spall particle from armor plate alone shows only a shear lip in the direction of penetration. The diameters of the penetration from armor plate 86 and layer material 82 were smaller and showed a raised edge on both the front and back of the sheet, typically from a hypervelocity penetration. Small depressions formed by these particles in steel plates were analyzed. Both aluminum and copper were found, indicating that an interaction occurs between the copper jet impact and the spall layer material, causing scattering of fine particles from the armor plate 86 and the directed shaped charge jet (not shown) behind the plate 86.

Das ursprüngliche Konzept der Anmeldung, auf die Bezug genommen ist, war es, die Impedanz des Schichtmaterials gleich oder über der der Panzerplatte 86 zu haben, um sicherzustellen, daß keine Zugspannung reflektiert wurde. Eine durchgeführte Analyse zur Bestimmung des Einflusses der Schichtmaterialeigenschaften auf das Gesamtsystemgewicht zeigte jedoch, daß das benötigte Gewicht des Primärschichtmaterials 82 sich proportional mit einem Erhöhen der Impedanz und einem Erhöhen der Wellenlänge der Spannungswelle vergrößert. Demgemäß wurde das Konzept geändert, um Materialien auszunutzen, deren Impedanz eine gewisse Zugspannungsreflexion zuließ, die jedoch nicht ausreichend war; um zu bewirken, daß ein Abplatzungsbruch auftrat.The original concept of the application referred to was to have the impedance of the layer material equal to or above that of the armor plate 86 to ensure that no tensile stress was reflected. However, an analysis performed to determine the influence of the layer material properties on the overall system weight showed that the required weight of the primary layer material 82 increased proportionally with increasing impedance and increasing the wavelength of the stress wave. Accordingly, the concept was changed to utilize materials whose impedance allowed some tensile stress reflection, but not sufficient to cause spalling failure to occur.

Vier ballistische Testreihen wurden durchgeführt, die aus 130 Hohlladungszündungen bestanden. Gefechtsköpfe für diese Auswertungen schlossen 105 mm und TOW-2-Simulatoren bei 0, 37 und 53 Grad Schräge ein. Panzerplattenlegierungen einschließlich 5083 (MIL-A-4602G(MR)Z) und 7039 (MIL-A-46063F)-Aluminium und RHA-Stahl (MIL-A-12560) hatten Wanddicken von 25,4 bis 50,8 mm (1 bis 2 inch). Die gemessenen Variablen des Leistungsverhaltens waren Abplatzungsvolumen, Eindringlochfläche und der Winkel der Streuungen von Eindringungen in den Indikatorblechen. Nichthinterlegte und aramidfüllerhinterlegte Panzerungsziele des Standes der Technik wurden für einen Grundlagenvergleich während der Systementwicklung getestet. Hochgeschwindigkeitsfotografie wurde auch durchgeführt, um die Strahl/Ziel-Wechselwirkung zu untersuchen.Four ballistic test series were conducted consisting of 130 shaped charge firings. Warheads for these evaluations included 105 mm and TOW-2 simulators at 0, 37 and 53 degrees of inclination. Armor plate alloys including 5083 (MIL-A-4602G(MR)Z) and 7039 (MIL-A-46063F) aluminum and RHA steel (MIL-A-12560) had wall thicknesses of 25.4 to 50.8 mm (1 to 2 inches). The performance variables measured were spall volume, penetration hole area, and the angle of dispersion of penetrations in the indicator plates. State-of-the-art unbacked and aramid filler-backed armor targets were tested for baseline comparison during system development. High-speed photography was also performed to investigate the beam/target interaction.

Für die ersten Testreihen wurde ein aluminiumoxid-partikel-beladenes Polymersystem so ausgewählt, daß es eine anpaßbare Impedanz hat, die leicht durch Verwenden unterschiedlicher Mengen an Aluminiumoxidpartikeln in dem Polymer variiert werden kann. Eine Acht-Faktoren-Experimentiermatrix, bei der jeder Faktor 1/8 Anteil beträgt, wurde einbezogen, um den Einfluß auf das Leistungsverhalten von Gefechtskopfschräge, Legierungstyp, Legierungsdicke, Polymertyp, Aluminiumpartikelgröße, Aluminiumbeladungsgehalt und Abplatzungsschichtmaterial-Dicke zu untersuchen. Zur Korrelation mit dem Leistungsverhalten gemessene Antwortvariable schließen das Volumen der Abplatzungen in der Panzerung und den Streuwinkel der Partikel (Fig. 2) ein, die das Anzeigeblech durchdringen. Die einzigen statistisch signifikanten Faktoren in dieser Matrix waren Legierungstyp und Gefechtskopfschräge. In weiteren Tests zeigte ein Verringern der Beladung des Epoxidharzes von 60 auf 47 Volumenprozent eine gewisse Verringerungstendenz hinsichtlich des Bewirkens einer Strahl/Ziel-Wechselwirkung, während eine Abplatzungsunterdrückung in der Aluminiumpanzerung beibehalten wurde.For the first series of tests, an alumina particle-loaded polymer system was selected to have an adjustable impedance that could be easily varied by using different amounts of alumina particles in the polymer. An eight-factor experimental matrix, with each factor being 1/8th of a fraction, was included to examine the influence on performance of warhead slope, alloy type, alloy thickness, polymer type, aluminum particle size, aluminum loading content, and spall layer material thickness. Response variables measured to correlate with performance include the volume of spall in the armor and the scattering angle of particles (Fig. 2) penetrating the indicator sheet. The only statistically significant factors in this matrix were alloy type and warhead slope. In further tests, decreasing the loading of the epoxy resin from 60 to 47 volume percent showed some decreasing trend in the Inducing beam/target interaction while maintaining spall suppression in the aluminum armor.

Man fand, daß die minimale zulässige Impedanz dieser Schichtmaterialskomposite 82 (Fig. 8) zum Unterdrücken von Abplatzungen in der Aluminiumpanzerung 86 etwa 0,65 g/cm²us (Gramm pro Quadratzentimeter pro Mikrosekunde) war im Vergleich mit 1,44 g/cm² us für die Impedanz der Aluminiumpanzerung. Die Impedanz wurde durch Multiplikation der Probendichte mit der gemessenen Geschwindigkeit einer Überschallgeschwindigkeits-Wellenübertragung bestimmt. Zusätzlich wurde ein Test zum Beweisen des Prinzips eines mit vollständig gebranntem Aluminiumoxid hinterlegten RHA-Stahles ausgeführt, der erfolgreich Abplatzungen in dem Stahl unterdrückte.The minimum allowable impedance of these layered material composites 82 (Fig. 8) for suppressing spalling in the aluminum armor 86 was found to be about 0.65 g/cm²us (grams per square centimeter per microsecond) compared to 1.44 g/cm²us for the aluminum armor impedance. The impedance was determined by multiplying the sample density by the measured speed of supersonic wave transmission. In addition, a proof of principle test was conducted on a fully fired alumina backed RHA steel which successfully suppressed spalling in the steel.

Das Ziel der zweiten Testreihen war, Verfahren des Unterdrückens der Hypergeschwindigkeitspartikel von der Strahl/Ziel-Wechselwirkung zu identifizieren. Zwei Methoden werden bewertet, und zwar Pulverersatz und Hinzufügung einer zweiten Schicht eines Schichtmaterials. Zusätzliche Pulver wurden bewertet als Füller in der Polymermatrix. Kupfer, Bronze, nichtrostender Stahl, Magnesiumoxid (MgO) und Spinel-(MgAl&sub2;O&sub4;)-Pulver wurden zusammen mit Aluminiumoxidpulvern in einer Matrix eines zäh gemachten Epoxidharzes getestet. Diese Pulver wurden so ausgewählt, daß sie einen breiten Bereich der Pulver und folglich der mechanischen Eigenschaften des Schichtmaterials ergeben. Vor einer Herstellung der Zielmaterialien wurden Proben jedes Komposites hergestellt und ihre Impedanz gemessen. Das erlaubt eine Herstellung von Schichtmaterialien mit ähnlichen Impedanzwerten.The aim of the second series of tests was to identify methods of suppressing the hypervelocity particles from the beam/target interaction. Two methods are evaluated, namely powder replacement and addition of a second layer of a layered material. Additional powders were evaluated as fillers in the polymer matrix. Copper, bronze, stainless steel, magnesium oxide (MgO) and spinel (MgAl2O4) powders were tested together with alumina powders in a matrix of toughened epoxy resin. These powders were selected to provide a wide range of powder and hence mechanical properties of the layered material. Before fabricating the target materials, samples of each composite were prepared and their impedance measured. This allows fabrication of layered materials with similar impedance values.

Infolge der höheren Dichte der Metallpulver war die Volumenbeladung der metallbeladenen Epoxidharze 30 Volumenprozent gegenüber 47 Volumenprozent für keramikbeladene Epoxidharze. Es gab eine signifikante beobachtete Reduzierung in dem Streuwinkel der Hypergeschwindigkeitspartikel bei den metallbeladenen Epoxidharzen; die Kupfer- und nichtrostenden Stahlpulvermaterialien verhielten sich am besten. Die metallbeladenen Polymere haben eine niedrigere Härte und Elastizitätsmodulwerte im Vergleich mit den keramisch beladenen Polymeren sowie den niedrigeren Beladungsgehalt. Die für die Reduzierung in einer Strahl/Ziel-Wechselwirkung verantwortlichen Eigenschaften sind noch unbestimmt.Due to the higher density of the metal powders, the volume loading of the metal-loaded epoxy resins was 30 volume percent compared to 47 Volume percent for ceramic-loaded epoxies. There was a significant observed reduction in the scattering angle of the hypervelocity particles for the metal-loaded epoxies; the copper and stainless steel powder materials performed best. The metal-loaded polymers have lower hardness and elastic modulus values compared to the ceramic-loaded polymers as well as the lower loading content. The properties responsible for the reduction in beam/target interaction are still undetermined.

Während die Anzahl und Verteilung der Hypergeschwindigkeitsdurchdringungslöcher in dem Indikatorblech 54 (Fig. 3) sich verringerte, wenn das Einschichtsystem 80 (Fig. 8) verwendet wurde, benötigte ihre Eliminierung eine Sekundärplatte 92a (Fig. 9) aus Material, das 2,5 oder 5,08 cm (1 oder 2 inch) hinter der Panzerplatte 86a beabstandet ist. Wenn die Platte 92a in Kontakt mit dem Primärschichtmaterial 82a angeordnet wurde, wurde gefunden, daß sie ineffektiv beim Unterdrücken der Partikel ist. Die Platte 92a verhält sich so, wenn sie von der Panzerplatte 86a beabstandet ist, daß sie die Hypergeschwindigkeitspartikel bekämpft. Der Raum wird benötigt, um eine gewisse Streuung der Partikel weg von der Achse des Strahles zuzulassen. Das verhindert, daß die Partikel durch ein in der Sekundärplatte 92a gebildetes Loch hindurchgehen, das durch den Durchgang des Waffenstrahls geschaffen wird. Dünne Platten 92a aus Aramidfaser und Glasfaserkomposit, ballistischen Nylonplättchen und Elastomerblättchen zeigen alle ein gutes Leistungsverhalten bei niedrigen Gewichten zum Bekämpfen der Partikel.While the number and distribution of the hypervelocity penetration holes in the indicator plate 54 (Fig. 3) decreased when the single layer system 80 (Fig. 8) was used, their elimination required a secondary plate 92a (Fig. 9) of material spaced 2.5 or 5.08 cm (1 or 2 inches) behind the armor plate 86a. When placed in contact with the primary layer material 82a, the plate 92a was found to be ineffective in suppressing the particles. The plate 92a behaves when spaced from the armor plate 86a to combat the hypervelocity particles. The space is needed to allow some scattering of the particles away from the axis of the beam. This prevents the particles from passing through a hole formed in the secondary plate 92a created by the passage of the weapon jet. Thin plates 92a made of aramid fiber and fiberglass composite, ballistic nylon plates, and elastomer plates all show good performance at low weights for combating the particles.

Das Ziel der dritten Testreihen war, das Potential für ein Faserverstärken des Schichtmaterials 82 (Fig. 8) zu bewerten, um einen Einschichtschutz zu schaffen. Polymere eines zäh gemachten Epoxidharzes oder Silikongummis wurden mit Kupfer- oder Aluminiumoxidpulvern beladen und als die Matrix für Aramidfaser- oder glasfasermatten-verstärkte Komposite verwendet. Diese Panzerplattenziele 86 unterdrückten Abplatzungsbildung. Ähnlich wie bei jenen in den vorherigen Reihen mit der Sekundärschicht in Kontakt mit dem Primärschichtmaterial 82 fand man jedoch nicht, daß sie vollständig effektiv beim Unterdrücken der Hypergeschwindigkeitspartikel sind.The objective of the third series of tests was to evaluate the potential for fiber reinforcing the layer material 82 (Fig. 8) to provide a single layer protection. Polymers of a toughened epoxy resin or Silicone rubbers were loaded with copper or aluminum oxide powders and used as the matrix for aramid fiber or glass fiber mat reinforced composites. These armor plate targets 86 suppressed spalling. However, similar to those in the previous series with the secondary layer in contact with the primary layer material 82, they were not found to be completely effective in suppressing the hypervelocity particles.

Die Hinterlegungen in den Reihen wurden auf einer 44,5 mm (13/4 Inch) einer 5083-Aluminium-Panzerungsplatte 86 angeordnet; sämtliche vorherigen Tests sind auf einem Maximum von 38,1 mm (11/2 Inch) einer 5083- Panzerungsplatte ausgeführt worden. Unverstärkte Materialien, die ähnlich in der Beladung und der Dicke jenen von den vorherigen Testreihen waren, wurden als Kontrollen verwendet. Diese faserverstärkten Materialien unterdrückten nicht vollständig Abplatzungen bei dem 44,5 mm (13/4 Inch)-Aluminium, genauso wie bei den 38,1 mm (11/2 Inch) Aluminiumtests ohne faserverstärkte Materialien. Parallel zu diesen ballistischen Tests ließ man einen Simulationscomputertest laufen, in dem ein zweidimensionales Hydrocode-Computerprogramm verwendet wurde, um den Unterschied im Spannungszustand bei verschiedenen Dicken einer Panzerung abzuschätzen. Ein Aufschlag wurde in einer achsensymmetrischen Konfiguration mit einem Kupferstab modelliert, der auf einem halbendlosen Aluminium mit einem ähnlichen Zustand wie dem in den Tests aufschlug. Der Druck wurde bei Tiefen von 25,4 mm (1 Inch) und 38,1 mm (11/2 Inch) und an Punkten von 25,4 mm (1 Inch) bis 63,5 mm (21/2 Inch) Erhöhungsschritten weg von der Durchdringungsachse berechnet. Die Achsen der Angriffspfeile 94, 94a, was in den Fig. 8 bzw. 9 dargestellt ist, sind die Achsen des Eindringens für die zwei Ziele, wobei die Achsen bei 0º Schräge veranschaulicht sind.The backings in the rows were placed on 44.5 mm (13/4 inch) of 5083 aluminum armor plate; all previous tests had been conducted on a maximum of 38.1 mm (11/2 inch) of 5083 armor plate. Unreinforced materials similar in loading and thickness to those from the previous test series were used as controls. These fiber-reinforced materials did not completely suppress spalling in the 44.5 mm (13/4 inch) aluminum, as in the 38.1 mm (11/2 inch) aluminum tests without fiber-reinforced materials. In parallel with these ballistic tests, a simulation computer test was run using a two-dimensional Hydrocode computer program to estimate the difference in stress state at different thicknesses of armor. An impact was modeled in an axisymmetric configuration with a copper rod impacting a semi-continuous aluminum of a similar condition to that in the tests. Pressure was calculated at depths of 25.4 mm (1 inch) and 38.1 mm (11/2 inches) and at points from 25.4 mm (1 inch) to 63.5 mm (21/2 inches) increments away from the penetration axis. The axes of the attack arrows 94, 94a, shown in Figures 8 and 9, respectively, are the axes of penetration for the two targets, with the axes illustrated at 0º inclination.

Indem die Punkte 1" weg von der Achse untersucht wurden, wurde gesehen, daß die Spannungswelle sowohl eine höhere Amplitude als auch Dauer bei der 38,1 mm (11/2 Inch) Tiefe hatte. Die Ergebnisse dieser Tests zeigen, daß das Schichtmaterial 82 deshalb spezifisch für eine spezifische Dicke einer Panzerung ausgelegt werden muß.By examining the points 1" off axis, it was seen that the stress wave had both a higher amplitude and duration at the 38.1 mm (11/2 inch) depth. The results of these tests indicate that the layer material 82 must therefore be specifically designed for a specific thickness of armor.

Das Ziel der vierten Reihe von ballistischen Tests war zweifach. Das erste Ziel war das Bestimmen der minimalen Volumenbeladung und Dicke (oder gesamten Flächendichte) des Primärschichtmaterials 82, das benötigt wurde, um Abplatzungen bei 25,4 mm (1 Inch) von 5083- und 7039-Aluminium und 44,5 mm (13/4 Inch) dickes 5083-Aluminium zu unterdrücken. Nichtrostendes Stahlpulver in einer zähgemachten Epoxidharzmatrix wurde verwendet bei 15, 20, 25, 30, 35 und 40 Volumenprozent und Dicken von 3,17 mm, 4,76 mm, 6,35 mm und 7,94 mm (1/8, 3/16, 1/4 und 5/16 inch).The objective of the fourth series of ballistic tests was two-fold. The first objective was to determine the minimum volume loading and thickness (or total areal density) of the primary layer material 82 required to suppress spalling in 25.4 mm (1 inch) of 5083 and 7039 aluminum and 44.5 mm (13/4 inch) thick 5083 aluminum. Stainless steel powder in a toughened epoxy matrix was used at 15, 20, 25, 30, 35 and 40 volume percent and thicknesses of 3.17 mm, 4.76 mm, 6.35 mm and 7.94 mm (1/8, 3/16, 1/4 and 5/16 inch).

Wie zuvor erwähnt, wurden 130 Testschüsse mit 105 Millimeter-, TOW- II- und Rockeye-Gefechtsköpfen ausgeführt. Die Ergebnisse eines Teils der Schüsse sind in den Tabellen 1-6 dargestellt.As previously mentioned, 130 test firings were conducted with 105 mm, TOW-II and Rockeye warheads. The results of some of the firings are presented in Tables 1-6.

Die Daten in den verschiedenen Tabellen zeigen die Panzerungsdicke und den Typ, den Gefechtskopf, den Grad der Schräge, die Abplatzungskegelwinkel, wie sie bestimmt wurden bei 0,61 mm (0,024 Inch)-dicken Weichstahlindikatorplatten für nichthinterlegte, armidfaserkomposithinterlegte und verschiedene Typen von Panzerungen mit aktiver Abplatzungsunterdrückung der vorliegenden Erfindung.The data in the various tables show the armor thickness and type, warhead, degree of bevel, spall cone angles as determined on 0.61 mm (0.024 inch) thick mild steel indicator plates for unbacked, armor fiber composite backed, and various types of armor with active spall suppression of the present invention.

Es wird deutlich sein, daß, je kleiner der Sekundärabplatzungs-Kegelwinkel (Fig. 2) ist, desto besser der Schutz ist, da weniger Weichziele in dem Fahrzeug mit Abplatzungen getroffen werden. Wie es beim Beschreiben des Gewichtes von militärischer Panzerung üblich ist, wird die Größe an Quadratfuß einer in einem Fahrzeug benötigten Panzerung bestimmt, und die Pfund pro Quadratfuß (PSF) werden verwendet, anstelle von Pfund pro Kubikfuß, um den gewünschten Gewichtsvergleich zu gewährleisten. Bei allen Tests wird der Abstand von der Rückfläche der Panzerung gemessen.It will be clear that the smaller the secondary spall cone angle (Fig. 2) is, the better the protection is, as fewer soft targets in the vehicle are hit with spalls. As with the As is common practice in describing the weight of military armor, the amount of square feet of armor required in a vehicle is determined, and pounds per square foot (PSF) is used, rather than pounds per cubic foot, to provide the desired weight comparison. In all tests, the distance from the rear surface of the armor is measured.

Figur 10 veranschaulicht eine Indikatorplatte 100, die hinter einer Panzerplatte ohne Abplatzungsschichtmaterial montiert ist, was eine Vielzahl von letalen Abplatzungslöchern 102 mit einem Abplatzungskegelwinkel von etwa 90º veranschaulicht. Die Indikatorplatte veranschaulicht auch ein großes mittiges Loch 104, das durch den Strahl und den Strahlschlag gebildet ist.Figure 10 illustrates an indicator plate 100 mounted behind an armor plate without spall layer material, illustrating a plurality of lethal spall holes 102 with a spall cone angle of about 90º. The indicator plate also illustrates a large central hole 104 formed by the jet and jet impact.

Figur 11 veranschaulicht eine Indikatorplatte 100a, die denselben Testbedingungen wie bei Figur 10 ausgesetzt war, außer daß die Panzerplatte durch eine einzige Schicht einer Aramidfaser mit 4,5 PSF hinterlegt war, die 101,6 mm (4 inch) hinter dem Ziel beabstandet war. Dieser Test zeigt durch das Muster von Abplatzungslöchern 102a, daß das Armidfaserschichtmaterial den Abplatzungskegelwinkel auf etwa 27º reduzierte bei sehr kleinen letalen gezeigten Abplatzungen und bei einem Strahl und einem Einschlagloch 104a reduzierter Größe.Figure 11 illustrates an indicator plate 100a subjected to the same test conditions as Figure 10 except that the armor plate was backed by a single layer of 4.5 PSF aramid fiber spaced 101.6 mm (4 inches) behind the target. This test shows by the pattern of spall holes 102a that the aramid fiber layer material reduced the spall cone angle to about 27º with very small lethal spalls exhibited and a reduced size jet and impact hole 104a.

Figur 12 veranschaulicht eine Indikatorplatte 100b, die denselben Testbedingungen ausgesetzt war wie bei dem Test von Figur 10, bei der jedoch die Panzerungsplatte durch eine einzige Schicht von 4,3 PSF hinterlegt war, die an der Rückseite der Panzerplatte angebracht war. Dieser Test zeigte ein Hauptmuster von Abplatzungslöchern 102b innerhalb etwa desselben Abplatzungskegelwinkels von etwa 27º, zeigte jedoch verschiedene andere Abplatzungslöcher 102b' innerhalb etwa 39º Abplatzungskegelwinkel. Das Strahl- und Einschlagloch 104b ist geringfügig größer als das von Figur 11.Figure 12 illustrates an indicator plate 100b subjected to the same test conditions as the test of Figure 10, but where the armor plate was backed by a single layer of 4.3 PSF attached to the back of the armor plate. This test showed a main pattern of spall holes 102b within about the same spall cone angle of about 27°, but showed several other spall holes 102b' within about 39° spall cone angle. The jet and impact hole 104b is slightly larger than that of Figure 11.

Figur 13 veranschaulicht eine Indikatorplatte 100c, die derselben Testbedingung ausgesetzt war wie bei dem Test von Figur 10, bei der jedoch die Panzerungsplatte durch ein Primärabplatzungsschichtmaterial von 2,8 PSF in Kontakt mit der Rückseite der Panzerung hinterlegt war sowie eine Sekundärschicht aus Aramidfaser mit 1,5 PSF von der Rückseite der Panzerungsplatte 50,8 mm (2 Inch) beabstandet war. Dieser Test veranschaulicht einen Abplatzungswinkel von etwa 25º bei den meisten Abplatzungslöchern 102c innerhalb dieses Bereiches, es waren jedoch verschiedene Abplatzungslöcher 102c' geringfügig außerhalb dieses Winkels. Die Indikatorplatte veranschaulicht auch ein Strahlloch 104c und ein Einschlagloch 106, die voneinander beabstandet sind, wodurch angedeutet wird, daß das Sekundärschichtmaterial den Aufschlag ablenkte. TABELLE 1 44,5 mm (13/4") 5083-Aluminium gegen 105-mm-Gefechtskopf bei 0º. Einfallschräge SCHICHT ABSTAND GEWICHT Kegelwinkel nichthinterlegte Panzerung Aramidfaser-Komposit 2-Schicht-Aktiv-Abplatzungsystem 30% Kupfer/ Silikonkautschuk Aramidfaser-Kompositblatt Gesamtgewicht Aramidfaser-Komposit 1-Schicht-verstärktes Aktiv-Abplatzungssystem Kupfer / Glasfaser / Silikonkautschuk Kontakt TABELLE 2 25,4 mm (1") 5083-Aluminium gegen 105-mm-Gefechtskopf bei 0ºEinfallschräge Schicht Abstand Gewicht Kegel winkel nicht hinterlegte Panzerung 2-Schicht-Aktiv-Abplatzungssystem 30 % nichtrostender Stahl/Epoxidharz Aramidfaser-Komposit-Blatt Gesamtgewicht 2-Schicht-Aktiv-Abplatzungssystem 30% nichtrostender Stahl/Epoxidharz Elastomer-Blatt Kontakt TABELLE 3 25,4 mm (1") 5083-Aluminium gegen 105 mm Gefechtskopf bei 53º Einfallschräge Schicht Abstand Gewicht Kegel winkel nicht hinterlegte Panzerung Aramidfaser-Komposit 1-Schicht-Aktiv-Abplatzungssystem 56% Aluminiumoxid / Silikonkautschuk Kontakt TABELLE 4 50,4 mm (2") RHA-Stahl gegen TOW-2-Gefechtsköpfe bei 0º Einfallschräge Schicht Abstand Gewicht Kegel winkel nicht hinterlegte Panzerung Aramidfaser-Komposit 2-Schicht-Aktiv-Abplatzungssystem 35% Wolfram / Silikonkautschuk Aramidfaser-Komposit Gesamtgewicht Kontakt TABELLE 5 25,4 mm (1") RHA-Stahl gegen Rockeye-Gefechtskopf bei 0º Einfällschräge Schicht Abstand Gewicht Kegel winkel nicht hinterlegte Panzerung Aramidfaser-Komposit 1-Schicht-Aktiv-Abplatzungssystem 25% Wolfram / Silikonkautschuk 2-Schicht-Aktiv-Abplatzungssystem 30% Wolfram / Silikonkautschuk Aramidfaser-Komposit Gesamtgewicht Kontakt TABELLE 6 44,5 mm (1-3/4") 5083-Aluminium gegen TOW-2-Gefechtsköpfe bei 0º Einfallschräge Schicht Abstand Gewicht Kegel winkel nicht hinterlegte Panzerung Aramidfaser-Komposit 1-Schicht-Aktiv-Abplatzungssystem 10% Wolfram / Silikonkautschuk 2-Schicht-Aktiv-Abplatzungssystem 25% nichtrostender Stahl / Epoxidharz Aramidfaser-Komposit Gesamtgewicht 2-Schicht-Aktiv-Abplatzungssystem 13% Wolfram / Silikonkautschuk Aramidfaser-Komposit KontaktFigure 13 illustrates an indicator plate 100c subjected to the same test condition as the test of Figure 10, but with the armor plate backed by a 2.8 PSF primary spall layer material in contact with the back of the armor and a 1.5 PSF secondary layer of aramid fiber spaced 50.8 mm (2 inches) from the back of the armor plate. This test illustrates a spall angle of about 25° with most of the spall holes 102c within this range, but several spall holes 102c' were slightly outside this angle. The indicator plate also illustrates a jet hole 104c and an impact hole 106 spaced apart from each other, indicating that the secondary layer material deflected the impact. TABLE 1 44.5 mm (13/4") 5083 aluminum vs. 105 mm warhead at 0º. Incline LAYER DISTANCE WEIGHT Cone Angle Unbacked Armor Aramid Fiber Composite 2-Layer Active Spall System 30% Copper/Silicone Rubber Aramid Fiber Composite Sheet Total Weight Aramid Fiber Composite 1-Layer Reinforced Active Spall System Copper/Fiberglass/Silicone Rubber Contact TABLE 2 25.4 mm (1") 5083 aluminum vs. 105 mm warhead at 0º incidence Layer Distance Weight Cone Angle Unbacked Armor 2-Layer Active Spall System 30% Stainless Steel/Epoxy Aramid Fiber Composite Sheet Total Weight 2-Layer Active Spall System 30% Stainless Steel/Epoxy Elastomer Sheet Contact TABLE 3 25.4 mm (1") 5083 aluminum vs. 105 mm warhead at 53º Incline Layer Distance Weight Cone Angle Unbacked Armor Aramid Fiber Composite 1-Layer Active Spall System 56% Alumina / Silicone Rubber Contact TABLE 4 50.4 mm (2") RHA Steel vs TOW-2 Warheads at 0º Incline Layer Distance Weight Cone Angle Unbacked Armor Aramid Fiber Composite 2-Layer Active Spall System 35% Tungsten / Silicone Rubber Aramid Fiber Composite Total Weight Contact TABLE 5 25.4 mm (1") RHA Steel vs. Rockeye Warhead at 0º Incline Layer Distance Weight Cone Angle Unbacked Armor Aramid Fiber Composite 1-Layer Active Spall System 25% Tungsten / Silicone Rubber 2-Layer Active Spall System 30% Tungsten / Silicone Rubber Aramid Fiber Composite Total Weight Contact TABLE 6 44.5 mm (1-3/4") 5083 aluminum vs. TOW-2 warheads at 0º Incline Layer Distance Weight Cone Angle Unbacked Armor Aramid Fiber Composite 1-Layer Active Spall System 10% Tungsten / Silicone Rubber 2-Layer Active Spall System 25% Stainless Steel / Epoxy Aramid Fiber Composite Total Weight 2-Layer Active Spall System 13% Tungsten / Silicone Rubber Aramid Fiber Composite Contact

Wie in Tabelle 6 angegeben, wurde eine Testmatrix geschaffen, um das Leistungsverhalten von Wolframpulver-beladenen Silikonelastomeren zu überprüfen. Das Silikonelastomer wurde aus drei Gründen ausgewählt:As shown in Table 6, a test matrix was created to verify the performance of tungsten powder loaded silicone elastomers. The silicone elastomer was selected for three reasons:

a) Es hat eine relativ niedrige Festigkeit, um eine sehr feine Partikelbildung des Materials von der übertragenen Stoßwelle zuzulassen; b) es hat eine hohe Bruchdehnung, die den Schadensbereich von der Strahldurchdringung begrenzen sollte; und c) es ist relativ hochdämpfend für Stoßwellen, was die Wechselwirkung und die folgliche Verteilung von Hypergeschwindigkeits-Strahlpartikeln begrenzen kann. Die Tests schließen Volumenbeladungen von 25 bis 35 Prozent Wolfram zur Anwendung für eine RHA-Stahlpanzerung und 10 bis 13 Prozent zur Anwendung für eine 5083-Aluminiumpanzerung ein. Ein Ein-(Fig. 8)- und ein Zweischicht-(Fig. 9)-System 80 bzw. 90 wurden untersucht bei Verwendung der RHA-Stahlpanzerung und bei Verwendung der 5083-Aluminiumpanzerung. Bei dem Einschicht-System 80 war die Verteilung der Hypergeschwindigkeitspartikel die niedrigste, die man bis dahin gesehen hat bei diesem speziellen Gefechtskopf. Außerdem verhielt sich das Zweischicht-System bei Verwendung der RHA-Stahlpanzerung beträchtlich besser als eine Schicht eines Aramidfaserkomposits in Kontakt mit der Panzerung, die äquivalent in der Dicke zu der Panzerung mit aktiver Abplatzungsunterdrückung ist, die in der Anmeldung von Musante et al, auf die Bezug genommen wurde, offenbart ist.a) It has a relatively low strength to allow very fine particle formation of the material from the transmitted shock wave; b) it has a high elongation at break which should limit the damage area from jet penetration; and c) it is relatively highly attenuating to shock waves which can limit the interaction and consequent dispersion of hypervelocity jet particles. The tests include volume loadings of 25 to 35 percent tungsten for use with RHA steel armor and 10 to 13 percent for use with 5083 aluminum armor. A single (Fig. 8) and two (Fig. 9) system 80 and 90, respectively, were investigated using the RHA steel armor and using the 5083 aluminum armor. For the single layer system 80, the hypervelocity particle distribution was the lowest seen to date for this particular warhead. In addition, the two layer system using the RHA steel armor performed considerably better than a layer of aramid fiber composite in contact with the armor equivalent in thickness to the active spall suppression armor disclosed in the referenced Musante et al. application.

Aus den bis jetzt durchgeführten Tests können die folgenden Schlußfolgerungen bezüglich des Systems von Musante et al, auf das Bezug genommen wurde, gezogen werden:From the tests carried out so far, the following conclusions can be drawn regarding the system of Musante et al. referred to:

Regarding the primary layer in contact with the armor

Das Primärschichtmaterial kann entweder ein monolithisches oder ein Kompositmaterial sein. Das bevorzugte Material ist ein Kompositmaterial, das an die spezifischen benötigten optimalen Eigenschaften angepaßt sein kann.The primary layer material can be either a monolithic or a composite material. The preferred material is a composite material, which can be tailored to the specific optimum properties required.

Monolithic material

Monolithische Materialien, wie zum Beispiel Natriumchlorid, die geeignete Bruch- und Impedanzeigenschaften haben, können verwendet werden. Brucheigenschaften schließen entweder niedrige Festigkeit oder Zerbrechlichkeit ein; das heißt das Material muß in Partikel geringer Masse oder kinetischer Energie aufbrechen, nachdem die Stoßwelle in die Schicht übertragen wurde.Monolithic materials such as sodium chloride that have suitable fracture and impedance properties can be used. Fracture properties include either low strength or fragility; that is, the material must break into particles of low mass or kinetic energy after the shock wave has been transmitted into the layer.

Composite matrix material

Das Matrixpolymer kann fast jeder Typ von Epoxidharzen mit relativ hoher Festigkeit bis zu Elastomermaterialien mit geringer Festigkeit sein. Die bevorzugten Materialien scheinen Elastomere mit relativ niedriger Festigkeit und hoher Dehnung zu sein. Insbesondere funktionieren Materialien, die hochdämpfend für Stoß- und Schallwellen sind, am besten, um das Zerreißen des Strahles und das Streuen eines Strahles und von Zielpartikeln hinter der Panzerung zu begrenzen.The matrix polymer can be almost any type from relatively high strength epoxy resins to low strength elastomeric materials. The preferred materials appear to be relatively low strength, high elongation elastomers. In particular, materials that are highly attenuating to shock and acoustic waves work best to limit jet breakup and scattering of a jet and target particles behind the armor.

Composite particulate material/filler

Die Materialien, mit der die Matrix beladen ist, können einzelne oder Kombinationen von Metallen, Keramiken, Glas oder organischem Material in partikelförmiger Form, Whiskers oder in Faserform sein, die ein Anpassen des Komposits an das geeignete Impedanzniveau zulassen. Faser- oder Whiskerzugaben können vorteilhaft für die Schicht sein, um einen zusätzlichen Schutz für die Panzerung gegen ein Durchdringen von Projektilen zu geben. Insbesondere sind Materialien mit hoher Dichte bevorzugt, um die Volumenbeladung des Polymers zu begrenzen und damit die Störung des Strahles und die Streuung eines Strahles und von Zielpartikeln hinter der Panzerung zu begrenzen. Das bevorzugte Material zum Beladen ist Wolframpulver infolge seiner hohen Dichte und niedrigen Toxizität. Der optimale Bereich von Beladungsniveaus von Wolfram ist bis zu 25 Volumenprozent für eine Aluminiumpanzerplatte und bis zu 50 Volumenprozent für eine Stahlpanzerplatte. Zusätzlich wäre die in das Kompositmatrixmaterial von einem Gas oder von hohlen partikelförmigen Teilchen eingeführte Porosität vorteilhaft, um eine Dämpfung von Stoßwellen zu bewirken, um das Aufreißen des Strahles und das Streuen eines Strahles und von Zielpartikeln hinter der Panzerung zu begrenzen und um weiterhin das benötigte Gewicht zu reduzieren.The materials with which the matrix is loaded can be single or combinations of metals, ceramics, glass or organic material in particulate form, whiskers or in fiber form, allowing the composite to be tailored to the appropriate impedance level. Fiber or whisker additions can be beneficial to the layer to provide additional protection to the armor against projectile penetration. In particular, high density materials are preferred to limit the volume loading of the polymer and thus limit the disturbance of the beam and scattering of a beam and target particles behind the armor. The preferred material for loading is tungsten powder due to its high density and low toxicity. The optimal range of loading levels of Tungsten is up to 25 volume percent for an aluminum armor plate and up to 50 volume percent for a steel armor plate. Additionally, porosity introduced into the composite matrix material by a gas or hollow particulates would be beneficial to provide shock wave attenuation, limit jet breakup and scattering of a jet and target particles behind the armor, and further reduce the required weight.

thickness

Die Dicke der benötigten Kontaktschicht wird von der Impedanz des Materials und der Länge des Stoßimpulses in der Panzerung abhängen. Dicken, die erfolgreich gewesen sind, sind im Bereich von 3,175 mm (1/8 inch) bis etwa 38,1 mm (1 1/2 inch).The thickness of the contact layer required will depend on the impedance of the material and the length of the shock pulse in the armor. Thicknesses that have been successful range from 3.175 mm (1/8 inch) to about 38.1 mm (1 1/2 inch).

Impedance

Das Impedanzniveau muß ausreichend sein, um die Amplitude der reflektierten Stoßwelle in der Panzerung unter die zu reduzieren, die benötigt wird, um signifikante Abplatzungen zu bilden. Während idealerweise sich keine Abplatzungen bilden sollten, kann das Gewicht des Gesamtsystems reduziert werden, wenn zugelassen wird, daß sich eine gewisse Menge an Abplatzungen in der Panzerung bildet, und zwar so lange, wie diese Abplatzungen entweder an der Panzerung verbleiben oder auf einen engen Streuwinkel weg von der Achse des Strahles infolge der Natur seines Bruches, des Einflusses von der Primärschicht oder des Einflusses von der Sekundärschicht begrenzt ist. Die benötigte Impedanz wird dann die reflektierte Stoßwelle derart reduzieren, daß die Bildung von Abplatzungen begrenzt ist, und die kinetische Energie jegliche Abplatzungen, die sich nicht bilden, wird auch begrenzt sein.The impedance level must be sufficient to reduce the amplitude of the reflected shock wave in the armor below that required to form significant spalls. While ideally no spalls should form, the weight of the overall system can be reduced if a certain amount of spalls are allowed to form in the armor, as long as these spalls either remain on the armor or are limited to a narrow scattering angle away from the axis of the beam due to the nature of its fracture, influence from the primary layer or influence from the secondary layer. The required impedance will then reduce the reflected shock wave such that the formation of spalls is limited, and the kinetic energy of any spalls that do not form will also be limited.

configuration

Die Schicht von Material, mit dem die Matrix beladen wird, kann eine gleichmäßige oder ungleichmäßige Beladung sein. Für eine leichte Herstellung kann die Schicht gleichmäßig sein, während für ein optimales Leistungsverhalten die Schicht eine abgestufte Impedanz haben kann. Die Abstufung der Impedanz kann sowohl das Gewicht des benötigten Materials verringern als auch die Verteilung des Strahles und die Streuung des Strahles und der Zielpartikel hinter der Panzerung begrenzen.The layer of material loaded into the matrix can be a uniform or non-uniform load. For ease of manufacturing the layer can be uniform, while for optimum performance the layer can have a graded impedance. The grading of the impedance can both reduce the weight of the material required and limit the spread of the beam and the scattering of the beam and target particles behind the armor.

Installation

Das Schichtmaterial kann an der Panzerung entweder mit einem separaten Kleber oder durch direktes Bondieren von dem Matrixmaterial angebracht werden. Verfahren könnten einschließen Gießen, Anwerfen oder Sprühen des Komposites, wenn es in dem nichtausgehärteten Zustand ist, bei einem nachfolgenden Aushärten am Ort auf der inneren Oberfläche der Panzerung. Der bevorzugte Kleber ist ein zähes Polymermaterial mit einer hohen Bruchdehnung.The layer material can be attached to the armor either with a separate adhesive or by direct bonding to the matrix material. Methods could include pouring, casting or spraying the composite when it is in the uncured state, with subsequent curing in place on the inner surface of the armor. The preferred adhesive is a tough polymer material with a high elongation at break.

Secondary plate

Es sollte festgestellt werden, daß die Sekundärplatte 92a (Fig. 9) nicht absolut notwendig für das System nach Fig. 8 und/oder Fig. 9 ist, aber einen Vorteil für besondere Auslegungen und Anforderungen darstellt.It should be noted that the secondary plate 92a (Fig. 9) is not absolutely necessary for the system of Fig. 8 and/or Fig. 9, but is an advantage for particular designs and requirements.

material

Das Sekundärplattenmaterial 92a (Fig. 9) kann aus Ein- oder Mehrfachkomponenpolymeren oder aus verstärkten Polymeren bestehen. Eine Begrenzung der Streuung der umstrittenen Strahl- und Zielpartikel ist mit thermoplastischen Polymeren, mit festen, fasterverstärkten, warm ausgehärteten Harzmatrixpolymeren und mit faserverstärkten Elastomermatrixpolymeren verwirklicht.The secondary plate material 92a (Fig. 9) can consist of single or multi-component polymers or of reinforced polymers. Limiting the scattering of the controversial beam and target particles is achieved with thermoplastic polymers, with solid, reinforced, thermoset resin matrix polymers and with fiber reinforced elastomer matrix polymers.

Weight

Das benötigte Gewicht der Sekundärplatte 92a ist abhängig von der Größe des Zerreißens des Strahles und der Streuung der Strahl- und Zielpartikel und von dem Abstand, um den die Platte von der Panzerung beabstandet ist. Gewichte (ausgedrückt in Pfund pro Quadratfuß - PSF), bei denen man fand, daß sie den Streubereich begrenzen, sind von 0,5 bis 3 PSE.The required weight of the secondary plate 92a is dependent upon the size of the beam breakup and scattering of the beam and target particles and the distance the plate is spaced from the armor. Weights (expressed in pounds per square foot - PSF) found to limit the scattering range are from 0.5 to 3 PSE.

Distance

Der Abstand der Sekundärplatte 92a beeinflußt die Streuung der herausgerissenen Strahl- und Zielpartikel hinter der Panzerung 86a und dem Schichtmaterial 82a. Größere Abstände sind effizienter, es ist jedoch gefunden worden, daß Abstände bis zu 101,6 mm (4 inch) ausreichend sind. Insbesondere sind Abstände in dem Bereich von 25,4 bis 50,8 mm (1 bis 2 inch) weg von der Innenoberfläche der Zwischenschicht 88a ausreichend, während sie dennoch eine kompakte Packung bieten.The spacing of the secondary plate 92a affects the scattering of the ejected jet and target particles behind the armor 86a and the layer material 82a. Larger spacings are more efficient, however, spacings up to 101.6 mm (4 inches) have been found to be sufficient. In particular, spacings in the range of 25.4 to 50.8 mm (1 to 2 inches) away from the interior surface of the intermediate layer 88a are sufficient while still providing compact packaging.

Attaching a secondary plate

Das Anbringungsverfahren sollte so sein, daß die Schicht an der Panzerplatte 86a verbleibt, nachdem sie die von der Strahleindringung und Explosionswellenbelastung der Sekundärschicht herrührende Belastung erfährt. Das bevorzugte Verfahren ist ein Anbolzen der Platte 92a mit Bolzen 96a, die an die Panzerung geschweißt sind.The method of attachment should be such that the layer remains attached to the armor plate 86a after it experiences the stress resulting from the jet penetration and blast wave loading of the secondary layer. The preferred method is bolting the plate 92a with bolts 96a welded to the armor.

configuration

Während alle Arbeiten mit einer einzigen Sekundärplatte 92a ausgeführt worden sind, kann es vorteilhaft sein, diese "Sekundärplatte" in Mehrfachplatten aufzuspalten. Zum Beispiel können zwei dünne Platten, von denen eine einen Abstand von 25,4 mm (1 Inch) und die andere einen von 38,1 mm (11/2 Inch) hat, effizienter als das äquivalente Gewicht einer einzigen Schicht mit einem 38,1 mm (11/2 Inch-Abstand) sein. Außerdem kann eine Kontaktschicht allein oder in Kombination mit einer beabstandeten Schicht von Vorteil sein.While all work has been done with a single secondary plate 92a, it may be advantageous to split this "secondary plate" into multiple plates. For example, two thin plates, one spaced 25.4 mm (1 inch) apart and the other 38.1 mm (11/2 inch) apart, may be more efficient than the equivalent weight of a single layer with a 38.1 mm (11/2 inch) apart. In addition, a contact layer alone or in combination with a spaced layer may be advantageous.

Regarding the weapon type for spalling formation

Hohlladungsgefechtsköpfe sind die Waffen, für die eine Abplatzungsunterdrückung demonstriert worden ist. Das Einschichtsystem 80 (Figur 8) und das Doppelschichtsystem 90 (Figur 9) sollten auch zur Unterdrückung von Abplatzungen von anderen Waffen geeignet sein, insbesondere jene mit Abplatzungen als einen Hauptletalitätsmechanismus. Die Waffen schließen ein, sind jedoch nicht darauf beschränkt: explosivgebildete Projektile (EFP), Hochexplosionsaufschlagköpfe (HESH), Artilleriesplittergranaten und gerichtete Energiewaffen. Das schließt alle stoßwellenbildende Mechanismen einschließlich Projektile und Strahlaufschläge, Explosionsstoffdetonationen und Hochgeschwindigkeitsabschmelzung ein.Shaped charge warheads are the weapons for which spall suppression has been demonstrated. The single layer system 80 (Figure 8) and the double layer system 90 (Figure 9) should also be suitable for suppressing spall from other weapons, particularly those with spall as a primary lethality mechanism. The weapons include, but are not limited to: explosively formed projectiles (EFP), high explosive impact heads (HESH), artillery fragmentation shells, and directed energy weapons. This includes all shock wave forming mechanisms including projectiles and jet impacts, explosive detonations, and high velocity meltdown.

Aus der vorgenannten Beschreibung wird deutlich, daß Ein- und Doppelschichtsysteme zur Abplatzungsunterdrückung offenbart worden sind zum Verhindern oder Unterdrücken von von durch Gefechtsköpfe hervorgerufene Bildungen von höchsteindringenden Abplatzungen. Beide Systeme schließen eine Panzerplatte und mindestens ein Primärschichtmaterial ein, das an der Rückseite der Panzerplatte anliegt und aus einem metall- oder keramikbeladenen Komposit-Abplatzungsschichtmaterial ausgebildet ist, das, wenn es durch durch die Metallpanzerung übertragene Spannung gebrochen wird, leichte Partikel geringer Masse und kinetischer Energie formt. Das Primärschichtmaterial hat eine Schallimpedanz relativ zu der der Metallpanzerung, die eine Bildung von Abplatzungen in der Panzerung unterdrückt. Eine zweite Platte kann an und beabstandet von der Panzerung sein, um den Winkel der Streuung von Sekundärfragmenten der Panzerung und der Waffe zu reduzieren.From the foregoing description, it will be apparent that single and double layer spall suppression systems have been disclosed for preventing or suppressing the formation of high penetration spalls caused by warheads. Both systems include an armor plate and at least one primary layer material adjacent to the back of the armor plate and formed of a metal or ceramic loaded composite spall layer material which, when fractured by stress transmitted through the metal armor, forms lightweight particles of low mass and kinetic energy. The primary layer material has an acoustic impedance relative to that of the metal armor which suppresses spall formation in the armor. A second plate may be on and spaced from the armor to reduce the angle of scatter of secondary fragments of the armor and the weapon.

Obwohl die beste zum Ausführen der vorliegenden Erfindung betrachtete Art hier gezeigt und beschrieben worden ist, wird klar sein, daß eine Modifikation und Variation ausgeführt werden kann, ohne von dem abzuweichen, was als der Gegenstand der Erfindung betrachtet wird.Although the best mode contemplated for carrying out the present invention has been shown and described herein, it will be apparent that modification and variation may be made without departing from what is considered to be the subject of the invention.

Claims

1. A layer for use on an inner surface of a metallic armor plate (20) for suppressing spalling (24) resulting from an impact force of a forced collision with a projectile object (22) on an outer surface of the metallic armor plate (20), the impact force causing a compressive stress and a shock wave to be transmitted from the outer surface through the metallic armor plate (20) to its inner surface and into the layer (80, 90), the layer comprising a material (82) formed from materials which, when broken due to stresses conducted through the metallic armor plate (20), form non-lethal fragments (24) of low mass and kinetic energy, the formed layer material (82) having a viscoelasticity and an impedance such that the shock wave, when reflected from the layer material (82) into the inner surface (26) of the metallic armor plate (20), at least induces the formation of Chipping (24) in the armor plate (20) is suppressed, and with a device for fixing the layer to the inner surface (26) of the metallic armor plate (20), characterized in that the layer material (82) comprises an aluminum oxide-free metallic powder mixture in a polymer matrix and has a surface density which is proportional to its impedance for protecting a particular type and thickness of the metallic armor plate (20) and a modulus of elasticity which is lower than that of an alumina-containing powder mixture in a polymer matrix with a similar impedance value.

2. Layer according to claim 1, characterized in that the metallic powder composition is evenly distributed in an epoxy resin of the polymer matrix.

3. Layer according to claim 1, characterized in that the metallic powder composition is not evenly distributed within the polymer matrix in order to create a graded impedance for the purpose of reducing the weight of the layer material.

4. Layer according to one of claims 1, 2 or 3, characterized in that the metallic powder mixture is selected from one or more of the following metals:

Bronze, stainless steel, magnesium oxide (MgO), spinel (MgAl₂O₄), tungsten and tungsten carbide and any high density particle.

5. Layer according to claim 4, characterized in that the metallic powder composition is copper powder.

6. Layer according to claim 4, characterized in that the metallic powder composition is stainless steel powder.

7. A layer according to claim 4, characterized in that the metallic powder composition is tungsten powder in a silicone elastomer which has a relatively low strength to allow fine particle formation of the material after a shock wave imparted by a projectile and which further has a high elongation before failure.

8. Layer according to claim 4, characterized in that the metallic powder mixture is a bronze powder.

9. A layer according to any one of claims 1, 2 or 3, characterized in that the impedance required to suppress the formation of splinters in the metal plate is obtained with small amounts of a metallic powder composition in the polymer matrix so that bursting of splinters and inhalation of extremely high velocity particles in response to the impact of a projectile object are minimized and a layer material of reduced weight is created.

10. A layer according to claim 9, wherein the metallic plate is made of aluminum, characterized in that the impedance of the metallic powder composition required for suppressing splintering from the aluminum plate is about 0.65 g/cm²/ms.

11. Layer according to claim 7, characterized in that the tungsten powder forms between 5 and 50 vol.% of the layer material.

12. A layer according to any one of claims 1 to 11, characterized in that a second chipping suppressing layer is arranged at a distance from the first chipping suppressing layer and is formed from a different layer material in order to suppress secondary chipping moving through the first suppressing layer.

13. Layer according to one of claims 1 to 11, characterized in that the device securing the layer comprises a coating a polymer matrix which is applied in an uncured state to the inner surface of the metallic armor plate.