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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Verbundpanzerplatte. Insbesondere
stellt die Erfindung eine Panzerplatte bereit, die einen ballistischen
Schutz zum Schutz von leichtem und schwerem mobilen Gerät und Fahrzeugen
gegen panzerbrechende Hochgeschwindigkeits-Projektile oder Fragmente
bietet. Die Erfindung beinhaltet ebenfalls Verfahren zur Herstellung
der Platte.
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Es
gibt vier Hauptüberlegungen
mit Bezug auf Schutzpanzerplatten. Die erste Überlegung ist das Gewicht.
Schutzpanzerungen für
schweres, aber mobiles militärisches
Gerät,
z.B. Panzer oder große
Schiffe sind bekannt. Eine solche Panzerung weist normalerweise
eine dicke Schicht aus Legierungsstahl auf, die dafür vorgesehen
ist, einen Schutz gegen schwere und explosive Projektile zu bieten.
Allerdings ist die Reduktion des Gewichts der Panzerung, sogar bei
schwerem Gerät,
von Vorteil, da es die Spannung auf alle Komponenten des Fahrzeuges
reduziert. Weiterhin ist eine solche Panzerung ziemlich ungeeignet
für leichte
Fahrzeuge wie Automobile, Jeeps, leichte Boote oder Flugzeuge, da
deren Leistung durch Stahlplatten, die eine Dicke von mehr als einigen
wenigen Millimetern haben, begrenzt wird, weil jeder Millimeter
Stahl einen Gewichtsfaktor von 7,8 kg/m2 hinzufügt.
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Von
einer Panzerung für
leichte Fahrzeuge wird erwartet, dass sie das Durchdringen von Kugeln
jeden Typs verhindert, und zwar selbst dann, wenn sie mit einer
Geschwindigkeit im Bereich von 700 bis 1000 m/s aufschlagen. Allerdings
ist es aufgrund von Gewichtsbeschränkungen schwierig, leichte
Fahrzeuge vor großkalibrigen
panzerbrechenden Projektilen, z.B. 12,7 und 14,5 mm zu schützen, da
das Gewicht einer Standardpanzerung, die solchen Projektilen widerstehen
kann, derart ist, dass sie die Mobilität und die Leistungsfähigkeit
derartiger Fahrzeuge behindert.
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Eine
zweite Überlegung
sind die Kosten. Zu komplexe Panzerungsanordnungen, insbesondere
solche, die ausschließlich
auf synthetischen Fasern beruhen, können für einen beachtlichen Teil der
Gesamtkosten des Fahrzeugs verantwortlich sein und können damit
dessen Herstellung unprofitabel machen.
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Eine
dritte Überlegung
beim Panzerungsdesign ist die Kompaktheit. Eine dicke Panzerplatte,
die Lufträume
zwischen den verschiedenen Schichten beinhaltet, vergrößert das
Zielprofil des Fahrzeuges. Im Falle von nachträglich gepanzerten zivilen Fahrzeugen,
die mit einer innenliegenden Panzerung versehen sind, gibt es in
den meisten Bereichen die Schutz benötigen schlicht keinen Platz
für eine
dicke Platte.
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Eine
vierte Überlegung
bezieht sich auf Keramikplatten, die für persönliche und leichte Fahrzeugpanzerung
verwendet werden, wobei herausgefunden wurde, dass diese Platten
gefährdet
sind durch mechanische Einschläge,
die durch Steine oder Stürze
etc. verursacht werden, beschädigt
zu werden.
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Relativ
neue Beispiele für
Panzerungssysteme sind in dem US-Patent Nr. 4,836,084 beschrieben,
das eine Verbundpanzerplatte offenbart, die eine Stützplatte,
welche aus einer offenen Honigwabenstruktur aus Aluminium besteht,
aufweist; und das US-Patent Nr. 4,868,040, das eine antiballistische
Verbundpanzerung offenbart, die eine Schockabsorbierungsschicht
beinhaltet. Außerdem
ist das US-Patent
4,529,640 von Interesse, das eine beabstandete Panzerung offenbart,
die ein hexagonales honigwabenförmiges
Kernelement beinhaltet.
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Andere
Panzerplatten sind z.B. in den britischen Patenten 1,081,464; 1,352,418
und dem US-Patent 4,061,815 offenbart, worin die Verwendung von
gesinterten Fasermaterialien und auch die Verwendung von Keramikmaterialien
beschrieben ist.
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Die
US 3,523,057 offenbart eine
Panzerplatte, die alle Merkmale aufweist, welche in der Präambel von Anspruch
1 definiert sind.
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Die
GB 2,272,272 offenbart eine
Panzerplatte, die eine einzelne Schicht aus Keramikpellets mit hoher Dichte
aufweist. Die Pellets sind mit einem Kleber an einem Blatt befestigt,
so dass die Pellets in einer Mehrzahl von benachbarten Reihen angeordnet
sind. Jedes Pellet hat eine Achse, die größer als 12 mm Länge ist.
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Keramische
Materialien sind nichtmetallische, anorganische Feststoffe, die
eine kristalline oder glasartige Struktur haben und die zahlreiche
nützliche
physikalische Eigenschaften, einschließlich der Widerstandsfähigkeit
gegen Hitze, Abrasion und Kompression, einen großen Steifheit, einem geringen
Gewicht im Vergleich zu Stahl und einer herausragenden chemischen
Stabilität
aufweisen. Derartige Eigenschaften haben seit langer Zeit die Aufmerksamkeit
von Panzerungsdesig-nern angezogen und massive Keramikplatten, mit einer
Dicke im Bereich von 3 mm für
persönlichen
Schutz bis zu 50 mm für
schwere militärische
Fahrzeuge, sind für
eine solche Verwendung kommerziell erhältlich.
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Viel
Forschung ist darauf aufgewendet worden, die geringe Zugfestigkeit
und die geringe Flexibilitätsstärke und
die schlechte Bruchfestigkeit von keramischen Materialien zu verbessern;
allerdings bleiben dies die wesentlichen Nachteile bei der Verwendung
von Keramikplatten und anderer großer Komponenten, die als Folge
des Schocks eines aufschlagenden Projektils zerbrechen oder zertrümmert werden
können.
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Leichtgewichtige
flexible gepanzerte Kleidungsartikel sind außerdem zum persönlichen
Schutz gegen Handfeuerwaffenprojetile und Projektilsplitter seit
vielen Jahrzehnten benutzt worden. Beispiele dieses Typs von Panzerung
sind in dem US-Patent Nr. 4,090,005 zu finden. Derartige Kleidung
ist sicherlich wertvoll gegen Projektile mit geringer Energie, wie
z.B. solche, die aus einer Distanz von mehreren hundert Metern abgefeuert werden,
aber sie scheitern dabei, den Träger
vor Hochgeschwindigkeitsprojektilen zu schützen, die aus einer näheren Umgebung
herrühren,
und sie schützen
insbesondere nicht vor panzerbrechenden Projektilen. Wenn sie derart
ausgebildet sind, um einen solchen Schutz zu liefern, machen das
Gewicht und/oder die Kosten einer solchen Kleidung ihre Verwendung
nicht erstrebenswert. Ein weiteres Problem mit derartiger Kleidung
ist, dass selbst dann, wenn sie dabei Erfolg hat, ein Projektil
zu stoppen, der Träger
eine Verletzung aufgrund des Eindrückens der Weste in den Körper erleiden
kann, was durch einen zu kleinen Körperbereich verursacht wird,
der getroffen wird und der die Energie der Kugel absorbieren muss.
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Ein
gemeinsames Problem der im Stand der Technik bekannten keramischen
Panzerung betrifft Schäden,
die in der Panzerungsstruktur durch ein erstes Projektil verursacht
werden, egal ob es gestoppt wird oder durchdringt. Eine derartige
Beschädigung
schwächt
die Panzerplatte und erlaubt so das Durchdringen eines nachfolgenden
Projektils, welches innerhalb weniger Zentimeter neben dem ersten
einschlägt.
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Die
vorliegende Erfindung ist dafür
ausgelegt, die Nachteile der keramischen Panzerung des Standes der
Technik zu überwinden
und eine Panzerplatte bereit zu stellen, die gegen einen vollständigen Bereich
von panzerbrechenden Projektilen von 5,56 mm bis sogar 30 mm und
außerdem
von normalen kleinkalibrigen Handfeuerwaffenprojektilen, wirksam
ist, wobei sie ein leichtes Gewicht hat, d.h. ein Gewicht von weniger
als 45 kg/m2 für persönliche Panzerung und leichtgewichtige
Fahrzeuge, und ein Gewicht von weniger als 185 kg/m2 sogar
für die
schwerere Panzerung hat, die gemäß der vorliegenden
Erfindung für
den Umgang mit 25 und 30 mm Projektilen bereit gestellt wird.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Panzerplatte bereit zu
stellen, die besonders effektiv darin ist, eine Mehrzahl von panzerbrechenden
Projektilen, die in dem selben Bereich der Panzerplatte aufschlagen,
auf zu halten.
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Die
oben genannten Aufgaben werden dadurch gelöst, dass eine Verbundpanzerplatte
zum Absorbieren und Zerstreuen von kinetischer Energie von panzerbrechenden
Hochgeschwindigkeitsprojektilen bereit gestellt wird, wobei die
Platte eine einzelne Schicht von Keramikpellets mit hoher Dichte
aufweist, welche in Plattenform durch ein erstarrtes Material direkt
gebunden und zurück
gehalten werden, so dass die Pellets in einer Mehrzahl von nebeneinander
liegenden Reihen gebunden sind, wobei eine Mehrzahl der Pellets
jeweils zumindest eine Achse mit einer Länge größer als 12 mm aufweist, und
wobei die Pellets ein spezifisches Gewicht von mindestens 2,5 haben,
dadurch gekennzeichnet, dass die Pellets innerhalb des erstarrten
Materials angeordnet sind, dass die Pellets einen Al2O3-Gehalt von mindestens 93% haben, dass die
Pellets von dem erstarrten Material in einer einzelnen inneren Schicht
aus nebeneinander liegenden Reihen gebunden sind, wobei jeweils
eine Mehrheit der Pellets in direktem Kontakt mit sechs angrenzenden
Pellets ist, und dass das erstarrte Material und die Platte elastisch
sind.
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In
bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung wird eine wie oben definierte Panzerplatte
bereit gestellt, bei der die Mehrzahl der Pellets jeweils zumindest
eine Achse aufweist, die eine Länge in
dem Bereich von größer 12 bis
40 mm hat und das Gewicht der Platte nicht 185 kg/m2 übersteigt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung haben die Pellets eine reguläre geometrische
Form und weisen zumindest ein konvex gebogenes Oberflächensegment
auf.
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Das
erstarrte Material kann jedes geeignete Material sein, das beim
Aushärten
bei der verwendeten Dicke seine Elastizität bewahrt, z.B. Aluminium,
Epoxy, ein thermo plastisches Polymer oder ein wärmeausgehärteter Kunststoff, wodurch
sowohl eine Krümmung
der Platte ohne Brechen an eine zu schützende gebogene Oberfläche, beinhaltend
Körperoberflächen, als
auch eine elastische Reaktion der Platte auf eintreffende Projektile
ermöglicht
wird, um so eine erhöhte
Kontaktkraft zwischen den benachbarten Pellets an dem Aufschlagspunkt
zu ermöglichen.
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In
dem französischen
Patent 2,711,782 ist eine Stahlplatte beschrieben, die mit Keramikmaterialien verstärkt ist;
aufgrund der Steifheit und des Mangels an Elastizität des Stahls
der Platte, besitzt die Platte allerdings nicht die Fähigkeit,
panzerbrechende Projektile abzulenken, es sei denn, eine Dicke von
ungefähr
8 bis 9 mm Stahl wird verwendet, was nicht erwünschtes überschüssiges Gewicht zu der Platte
addiert.
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Es
muss weiterhin festgehalten werden, dass die Elastizität des Materials,
das in den bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung verwendet wird, zu einem gewissen Ausmaß dazu dient,
die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen,
dass ein Projektil gleichzeitig auf mehrere Pellets auftritt, wodurch
die Effizienz der Haltekraft der Platte gemäß der vorliegenden Erfindung
erhöht
wird.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird eine Vielschichtpanzerplatte bereit gestellt,
die eine äußere Aufprall-aufnehmende
Platte aus einer Verbundpanzerplatte, wie sie zuvor definiert wurde,
zum Deformieren und Zertrümmern
eines aufschlagenden panzerbrechenden Hochgeschwindigkeitsprojektils
und eine innere Schicht, angrenzend zu der äußeren Platte, die eine zweite
Platte aus elastischem Material zum Absorbieren der restlichen kinetischen
Energie der Fragmente des Projektils hat, aufweist. Das elastische
Material wird gemäß Kosten-
und Gewichtsüberlegungen
ausgewählt
und kann aus jedem geeigneten Material z.B. Aluminium oder gewebtem
Textilmaterial hergestellt werden.
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In
besonders bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung wird eine Vielschichtpanzerplatte bereit gestellt,
die eine äußere aufprall-aufnehmende
Platte aus einer Verbundpanzerplatte, wie sie zuvor definiert wurde,
zum Deformieren und Zertrümmern
eines aufschlagenden panzerbrechenden Hochgeschwindigkeitsprojektils
und eine innere Schicht, angrenzend zu der äußeren Platte, die eine zweite
Platte aus einem festgewobenen Textilmaterial zur Verursachung einer
asymmetrischen Deformation der übrig
bleibenden Fragmente des Projektils und zur Absorbierung der übrig bleibenden
kinetischen Energie von diesen Fragmenten aufweist, wobei die Vielschichtplatte
dafür ausgelegt
ist, drei Projektile, die nacheinander auf eine dreieckige Fläche der
Vielschichtplatte abgefeuert werden, zu stoppen, wobei die Höhe des Dreiecks
im wesentlichen dem Dreifachen der Achse der Pellets entspricht.
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Wie
dies z.B. in dem US-Patent 5,361,678 beschrieben ist, ist eine Verbundpanzerplatte,
die eine Masse von sphäri schen
keramischen Kugeln aufweist, die in einer Aluminiumlegierungsmatrix
verteilt sind, im Stand der Technik bekannt. Allerdings leidet eine
derartige Verbundpanzerplatte des Standes der Technik unter einem
oder mehreren ernsthaften Nachteilen, die sie schwierig herzustellen
und weniger als vollständig
geeignet für
die Aufgabe des Abwehrens von Metallprojektilen macht. Genauer gesagt
sind in der in dem Patent beschriebenen Panzerplatte die Keramikkugeln
mit einem Bindermaterial beschichtet, das keramische Partikel enthält, wobei
die Beschichtung eine Dicke von zwischen 0,76 und 1,5 hat und sie
bereit gestellt wird, um dabei zu helfen, die keramischen Kerne
vor Beschädigung
aufgrund von thermischem Schock zu schützen, wenn das geschmolzene
Matrixmaterial während
der Herstellung der Platte gegossen wird. Allerdings sorgt die Beschichtung
dafür,
dass die härteren
Keramikkerne der Kugeln voneinander getrennt werden und führt dazu, dass
das Moment der Energie, welches übertragen
und damit zwischen den Kugeln als Folge eines Aufschlages einer
Kugel oder eines anderen Projektils geteilt wird, gedämpft wird.
Deshalb und außerdem
weil das Material der Beschichtung von Natur aus weniger hart als
das der keramischen Kerne ist, ist die Haltekraft einer Platte,
die wie in dem Patent beschrieben, konstruiert ist, nicht so gut,
Gewicht für
Gewicht, wie das einer Platte gemäß der vorliegenden Erfindung,
in der die harten keramischen Pellets in direktem Kontakt mit angrenzenden
Pellets sind.
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McDougal,
et al. offenbaren in dem US-Patent 3,705,558 eine Leichtgewicht-Panzerplatte,
die eine Schicht aus Keramikkugeln aufweist. Die Keramikkugeln sind
in Kontakt miteinander und lassen kleine Lücken für den Eintritt von geschmolzenem
Metall. In einer Ausführungsform
sind die keramischen Kugeln von einem Edelstahldrahtkorb ummantelt,
und in einer weiteren Ausführungsform
wird die Verbindungspanzerung durch Kleben von Nickel-beschichteten
Aluminiumkugeln an einer Aluminiumlegierungsplatte mit Hilfe eines
Polysulfidklebers hergestellt.
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Eine
Verbundpanzerplatte, wie sie in dem McDougal et al. Patent beschrieben
ist, ist schwierig herzustellen, da die keramischen Kugeln durch
thermischen Schock beschädigt
werden können,
der durch Kontakt mit geschmolzenem Metall auftritt. Die keramischen
Kugeln werden außerdem
manchmal während
des Gießens
von geschmolzenem Metall in die kleinen Zwischenräume zwischen
den Kugeln verschoben.
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Um
dieses Verschieben zu minimieren schlagen Huet US-Patente 4,534,266
und 4,945,814 ein Netzwerk von verketteten Metallummantelungen vor,
um die keramischen Einlagen während
des Gießens
des geschmolzenen Metalls zu ummanteln. Nachdem das Metall erstarrt
ist, sind die Metallummantelungen in die Verbundpanzerung mit aufgenommen.
Es ist jedoch festgestellt worden, dass ein solches Netzwerk von
verketteten Metallhülsen
das Gesamtgewicht der Panzerplatte wesentlich erhöht und die
Haltekraft davon reduziert.
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Es
muss weiterhin festgestellt werden, dass McDougal eine Anordnung
von keramischen Kugeln vorschlägt
und lehrt, die in kontaktierender pyramidaler Beziehung angeordnet
sind, wobei diese Anordnung ebenfalls das Gesamtgewicht der Panzerplatte
wesentlich erhöht
und die Haltekraft hiervon aufgrund des Billard-ähnlichen Effekts beim Aufprall
reduziert.
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In
den US-Patenten 3,523,057 und 5,134,725 sind weitere Panzerplatten
beschrieben, die keramische Kugeln beinhalten. Allerdings sind diese
Platten flexibel und es ist gefunden worden, dass die Flexibilität der Platten
ihre Haltestärke
bei Aufprall wesentlich reduziert, da die Kraft des Aufpralls selbst
eine Beugung der Platten und eine Reduzierung des Unterstützungseffektes
von angrenzenden Keramikkugeln auf die getroffene Keramikkugel hervorruft.
Weiterhin ist festzustellen, dass die Lehre des US-Patents 5,134,725
auf eine Panzerplatte begrenzt ist, die eine Vielzahl von Bestandteilkörpern aus
Glas oder keramischem Material aufweist, die in zumindest zwei übereinander
liegenden Reihen angeordnet sind, wobei diese Anordnung ähnlich zu
dem ist, was bei McDougal (US-Patent
3,705,558) zu sehen ist. Weiterhin zeigt ein Bezug auf die 3 und 4 des
Patents, dass die Pellets einer ersten Schicht nicht in Kontakt
mit den Pellets der selben Schicht sind und nur in Kontakt mit den
Pellets einer angrenzenden Schicht sind, wobei diese Anordnung zu
der Schwächung
der Haltekraft der Platte dieses Patents aufgrund der Biegung beim
Aufprall führt,
was im Gegensatz zu den Platten der vorliegenden Erfindung steht,
bei denen der direkte Kontakt zwischen angrenzenden Pellets eine
Erhöhung
der Kontaktkraft zwischen den Pellets beim Aufprall hervorruft.
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Es
wird wahrgenommen werden, dass keines der Patente des Standes der
Technik die überraschende nicht
erwartete Haltekraft einer einzelnen Schicht von Keramikpellets
in direktem Kontakt miteinander lehrt oder vorschlägt, die,
wie im folgenden gezeigt werden wird, erfolgreich das Durchdringen
von panzerbrechenden 14,5 mm Kaliber Projektilen trotz des relativ
geringen Gewichts der Platte, die die Pellets beinhaltet, verhindert.
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Es
ist daher gefunden worden, dass die neue Panzerung der vorliegenden
Erfindung anfliegende Projektile zwischen mehreren sehr harten Keramikpellets
aufhält,
die in einer einzelnen Schicht in starrem angrenzendem Verhältnis gehalten
sind. Die relativ moderate Größe der Pellets
sorgt dafür,
dass der Schaden, der von einem ersten Projektil verursacht wird,
lokalisiert ist und sich nicht auf benachbarte Gebiete ausbreitet,
wie in dem Fall von Keramik Pellets.
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Ein
Vorteil des neuen Ansatzes, der von der vorliegenden Erfindung bereit
gestellt wird, ist, dass sie die Herstellung von verschiedenen Platten
ermöglicht,
die dafür
ausgelegt sind, mit verschiedenen Herausforderungen zu recht zu kommen,
wobei z.B. kleinere Pellets für
persönliche
Panzerung zum Annehmen der Herausforderung von 7,62 und 9 mm Projektilen
verwendet werden können,
wohingegen größere Pellets
verwendet werden können,
um vorhersehbaren Herausforderungen, die von 14,5 mm, 25 mm und
sogar 30 mm panzerbrechenden Projektilen gebildet wird, zu bewältigen.
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Es
ist daher gefunden worden, dass zylindrische Pellets, die einen
Durchmesser von 12,7 mm und eine Höhe von zwischen 9,5 und 11,6
mm haben, mehr als geeignet sind, um mit Projektilen zwischen 5,56 und
9 mm zurecht zu kommen, wenn sie in einer Platte gemäß der vorliegenden
Erfindung angeordnet sind.
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Genauso
und im weiteren hier demonstriert, sind zylindrische Pellets, die
einen Durchmesser von 19 mm und eine Höhe von zwischen 22 und 26 mm
haben, mehr als geeignet, um mit panzerbrechenden 14,5 mm Projektilen
zurecht zu kommen.
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Für schwer
gepanzerte Fahrzeuge wurden Pellets, die einen Durchmesser von 38
mm und eine Höhe zwischen
32 und 45 mm haben als mehr als geeignet befunden, um mit 20, 25
und sogar mit 30 mm panzerbrechenden Projektilen zurecht zu kommen,
wenn sie in einer Vielschichtpanzerplatte gemäß der Erfindung verwendet werden.
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Ein
einfliegendes Projektil kann mit der Pelletsanordnung auf einem
von drei Wegen in Kontakt kommen:
- 1. Mittelkontakt.
Der Aufprall ermöglicht
es dem vollständigen
Volumen des Pellets am Aufhalten des Projektils teilzunehmen, das
nicht durchdringen kann, ohne das ganze Pellet zu pulverisieren,
was eine energieintensive Aufgabe ist. Die verwendeten Pellets sind
entweder Kugeln oder in Formen, die sich einer kugelförmigen Form
annähern
oder hexagonal im Querschnitt sind und es wurde gefunden, daß diese
Form, wenn sie in einer steifen Matrix unterstützt wird, signifikant besser
dafür geeignet
ist, Zertrümmerung
zu widerstehen als rechteckige Formen.
- 2. Seitenkontakt. Der Aufprall verursacht, dass das Projektil
vom Kurs abweicht, was das Anhalten des Projektils einfacher macht,
da ein größerer Vorderbereich
kontaktiert wird und nicht nur die scharfe Nase des Projektils.
Das Projektil wird seitwärts
abgelenkt und muss für
sich eine größere Öffnung zum
Durchdringen bilden, wodurch der Panzerung ermöglicht wird, die Projektilenergie
zu absorbieren.
- 3. Talkontakt. Das Projektil wird verklemmt, gewöhnlich zwischen
den Seiten von drei Pellets, von denen alle an dem Anhalten des
Projektils teilnehmen. Den hohen Seitenkräften, die auf die Pellets wirken,
widerstehen die dazu angrenzenden Pellets, während sie durch die feste Matrix
gehalten werden und so wird ein Durchdringen ver hindert. Ein Versuch
ist unternommen worden, bei dem ein Kaliber 14,5 mm B-32 Projektil verwendet
wurde, um diesen besonderen Kontaktmodus zu erzielen und die Bestätigung der
Theorie wurde erhalten, dass ein solches Resultat tatsächlich in
der Praxis erzielt werden kann.
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Während der
Forschung und Entwicklung für
die vorliegende Erfindung war die Herstellung eines plattenförmigen Verbundgusskörpers notwendig,
in dem keramische Pellets eine zentrale Schicht einnehmen und Gussaluminium
die Pellets vollständig
einbettet. Wenn geschmolzenes Metall verwendet wird, würden die
Pellets das geschmolzene Material abkühlen und weiterhin könnte die
benötigte
enge Pelletformation durch den Gussprozess gestört werden. Wie bereits oben
bemerkt wurde, ist auch McDougal in dem US-Patent 3,705,558 auf dieses Problem
gestoßen.
Ein Versuch, dieses Problem zu lösen,
ist von Huet in den US-Patenten
4,534,266 und 4,945,814 vorgeschlagen worden, und Roopchand et al.
in dem US-Patent 5,361,678 haben eine weitere Lösung vorgeschlagen, die das
Beschichten der keramischen Körper
mit einem Binder und keramischen Partikeln, gefolgt von dem Zuführen des
geschmolzenen Materials in die Gussform vorsieht.
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Es
ist daher eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Herstellungsverfahren
für eine
Verbundpanzerplatte, wie sie hier beschrieben ist, ohne das Einführen von
nicht wesentlichen und zusätzlichen weiteren
Komponenten in die endgültige
Platte bereit zu stellen.
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Daher
stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer
Verbundpanzerplatte, wie sie zuvor beschrieben wurde, bereit, bei
dem eine Form mit einem Boden, zwei Hauptoberflächen, zwei Nebenseitenoberflächen und
einer offenen Oberseite bereitgestellt wird, wobei die Distanz zwischen
den zwei Hauptoberflächen
das 1,1 bis 1,4-fache der Höhe
der Pellets beträgt;
die Pellets in die Form derart eingebracht werden, dass sie eine
Mehrzahl von übereinander
angeordneten Reihen von Pellets bilden, die sich im wesentlichen
entlang der gesamten Distanz zwischen den Nebenseitenoberflächen und
von dem Boden im wesentlichen zu der offenen Oberseite erstrecken;
die Form und die darin enthaltenen Pellets inkrementiell auf eine
Temperatur von mindestens 100°C über dem
Fließpunkt
des Materials, das in die Form gegossen werden soll, erhitzt wird;
das geschmolzene Material in die Form gegossen wird, um die selbe
zu füllen;
dem geschmolzenen Material erlaubt wird zu erstarren; und die Verbundpanzerplatte
aus der Form entfernt wird.
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Die
vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren zur Herstellung
einer Verbundpanzerplatte bereit, bei dem eine Form mit einem Boden,
zwei Hauptoberflächen,
zwei Nebenseitenoberflächen
und einer offenen Oberseite bereit gestellt wird, wobei die Distanz
zwischen den zwei Hauptoberflächen
das 1,1 bis 1,4-fache der Höhe
der Pellets beträgt;
die Pellets in die Form derart eingebracht werden, dass sie eine
Mehrzahl von übereinander
angeord neten Reihen von Pellets bilden, die sich im wesentlichen
entlang der gesamten Distanz zwischen den Nebenseitenoberflächen und
von dem Boden im wesentlichen zu der offenen Oberseite erstrecken;
flüssiger
Epoxidharz in die Form gegossen wird, um dieselbe zu füllen; dem
Epoxidharz erlaubt wird zu erstarren; und die Verbundpanzerplatte
aus der Form entfernt wird.
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Wie
dies wahrgenommen wird, wenn die Verbundpanzerplatte der vorliegenden
Erfindung hergestellt wird, müssen
die Pellets nicht notwendigerweise auf beiden Seiten vollständig von
dem erstarrten Material bedeckt sein und sie können an die äußere Oberfläche der
gebildeten Platte angrenzen oder sogar aus dieser hervor ragen.
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Ähnlich kann
der Epoxidharz durch Sprühen
auf die Pellets, die in einer horizontalen Gießform angeordnet sind aufgebracht
werden, anstelle das gegossen wird, wie dies an sich im Stand der
Technik bekannt ist.
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Weitere
Ausführungsformen
der Erfindung, beinhaltend gewichtskritische gepanzerte Kleidung,
werden weiter unten beschrieben.
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Die
Erfindung wird nun in Verbindung mit besonders bevorzugten Ausführungsformen
mit Bezug auf die nachfolgenden illustrierenden Figuren beschrieben,
so dass sie vollständiger
verstanden wird.
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Mit
Bezug auf die Figuren im Detail wird betont, dass die gezeigten
Besonderheiten nur beispielhaft und zur illustrativen Diskussion
der bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung dargestellt sind und dafür dargestellt
sind, um das bereit zu stellen, von dem angenommen wird, es ist
die nützlichste
und am einfachsten zu verstehende Beschreibung der Prinzipien der
konzeptionellen Aspekte der Erfindung ist. In diesem Zusammenhang
ist kein Versuch unternommen worden, die strukturellen Details der
Erfindung detailierter als für
ein fundamentales Verständnis
der Erfindung nötig,
zu zeigen, wobei die Beschreibung zusammengenommen mit den Zeichnungen
es für
die Fachleute auf dem Gebiet offensichtlich macht, wie verschiedene
Formen der Erfindung in der Praxis ausgeführt werden können.
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In
den Zeichnungen ist:
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1 eine
perspektivische gebrochene Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Panzerplatte;
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2 und 3 sind
perspektivische Ansichten von weiteren Pellet-Ausführungsformen;
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4 ist
eine Schnittansicht einer Zwei-Schicht-Ausführungsform
der Panzerplatte;
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5 ist
eine schematische Darstellung einer Gießform, die in den Verfahren
zur Herstellung der Platte verwendet wird;
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6 ist
eine perspektivische Ansicht eines kleinen Teils einer Platte, bei
dem ein gießbares
Material die Hohlräume
zwischen den Körpern
ausfüllt;
und
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7a und 7b illustrieren
Projektilaufschlagsbereiche auf Platten gemäß der vorliegenden Erfindung.
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In 1 ist
eine Verbundpanzerplatte 10 zur Absorbierung und Zerstreuung
von kinetischer Energie von Hochgeschwindigkeitsprojektilen 12 gezeigt.
Eine Platte 14 wird von einem erstarrten Material 16 gebildet, wobei
die Platte eine innere Schicht von Keramikpellets 18 mit
hoher Dichte aufweist. Die äußeren Oberflächen der
Platte werden von dem erstarrten Material 16 gebildet und
die Pellets 18 sind darin eingebettet. Die Beschaffenheit
des erstarrten Materials 16 ist in Übereinstimmung mit den Gewichts-,
Leistungs- und Kostenüberlegungen
für den
vorgesehenen Einsatz der Panzerung ausgewählt.
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Panzerung
für Land-
und Seefahrzeuge wird geeigneter Weise unter Verwendung einer Metallgusslegierung
hergestellt, die zumindest 80% Aluminium enthält. Eine geeignete Legierung
ist Aluminium Association No. 535.0, das eine hohe Zugfestigkeit
von 35000 kg/in2 mit einer exzellenten Verformbarkeit,
die eine Dehnbarkeit von 9% aufweist, vereint. Weitere geeignete
Legierungen sind von dem Typ, der 5% Silikon B443.0 enthält. Diese
Legierungen können
einfach in dünne
Bereiche gegossen werden; ihre schlechte Bearbeitbarkeit ist von
geringer Bedeutung bei der erfindungsgemäßen Anwendung. Ein Epoxidharz
oder anderes Plastik- oder Polymermaterial, bevorzugterweise faserverstärkt, ist
ebenfalls geeignet.
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Die
Pellets 18 haben einen Aluminium (Al2O3) Gehalt von zumindest 93% und weisen eine
Härte von 9
auf der Moh'schen
Skala auf. In Bezug auf die Größe weist
die Mehrheit der Pellets eine Hauptachse in dem Bereich von größer als
12 bis 40 mm auf, wobei der bevorzugte Bereich zwischen 20 bis 30
mm liegt.
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In 1 sind
zu illustrativen Zwecken eine Mischung von zylindrischen Pellets
mit zumindest einer konvex gebogenen Endfläche 18a, flache zylindrische
Pellets 18b und kugelförmige
Pellets 18c gezeigt. Sowohl Überlegungen mit Bezug auf Symmetrie
als auch von dem vorliegenden Erfinder durchgeführte Tests deuten darauf hin,
dass die effektivste Pelletform zylindrische Pellets mit zumindest
einer konvex gebogenen Endfläche 18a sind.
Keramische Pellets werden als Mahlmittel in größenreduzierenden Mühlen von
verschiedenen Typen, typischerweise in Trommelmühlen verwendet und sind daher
kommerziell zu einem vernünftigen Preis
erhältlich.
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In
der fertiggestellten Platte 14 sind die Pellets 18 durch
das erstarrte geschmolzene Material 16 in einer Mehrzahl
von übereinander
liegenden Reihen 20 gebunden. Eine Mehrzahl der Pellets 18 sind
jeweils in Kontakt mit zumindest vier angrenzenden Pellets.
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Während der
Anwendung wirkt die Platte 14 in einer von drei Arten um
ein auftreffendes Projektil 12 zu stoppen: Mittelkontakt,
Seitenkontakt und Talkontakt, wie dies oben beschrieben wurde.
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Mit
Bezug auf 2 wird jetzt ein weiteres Beispiel
eines Pellets 18d dargestellt, wobei das Pellet eine reguläre geometrische
prismatische Form aufweist.
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3 zeigt
ein Pellet 18e, das einen kreisförmigen Querschnitt 24 entlang
einer Linie AA aufweist. Das Pellet hat eine Satellitenform und
ist kommerziell erhältlich.
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4 illustriert
eine Vielschichtpanzerplatte 26. Mit Bezug auf die weiteren
folgenden Figuren werden ähnliche
Bezugsziffern zur Identifizierung ähnlicher Teile verwendet.
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Eine äußere Auftreffplatte 28 aus
Verbundpanzermaterial ist ähnlich
zu der Platte 14, die oben mit Bezug auf 1 beschrieben
wurde. Die Platte 28 wirkt, um ein auf treffendes Hochgeschwindigkeitsprojektil 12 zu
deformieren und zu zertrümmern.
Leichtgewicht Panzerung für
persönlichen
Schutz wird unter Verwendung eines zähen aber harten thermoplatischen
Harzes, z.B. Polycarbonat oder Acrylonite-Butadien-Styren hergestellt.
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Eine
innere Plattenschicht 30 ist benachbart zu der äußeren Platte 28 und
ist vorteilhafterweise hieran befestigt. Die innere Platte 30 ist
aus einem fest gewobenen Material, wie z.B. Vielschichten aus Kevlar®,
oder aus einem nicht gewobenen Material, das unter seinem Handelsnamen
Famaston bekannt ist, hergestellt. In einer weiteren Ausführungsform
weist die innere Schichtplatte 30 mehrere Lagen eines Polyamid-Netzgewebes
auf.
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Während des
Einsatzes verursacht die innere Platte 30 eine asymmetrische
Deformation der übrig bleibenden
Fragmente 32 des Projektils 12 und absorbiert
die übrig
bleibende kinetische Energie von diesen Fragmenten durch Deflektion
und durch deren Kompression in dem Bereich 34, der in 1 gezeigt
ist. Es muss außerdem
festgestellt werden, dass der Bereich 34 sehr viel größer als
der Querschnitt des Projektils ist, wodurch der Druck, der auf der
inneren Seite 36 der inneren Platte 30 wahrgenommen
wird, reduziert wird. Dieser Faktor ist wichtig bei persönlich getragener
Panzerung.
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Mit
Bezug auf 5 ist eine Gussform 38 gezeigt,
die für
die Herstellung eines Verbundpanzermaterials 10, wie dies
mit Bezug auf 1 oben beschrieben wurde, verwendet
wird. Das folgende erhöhte
Temperaturverfahren zur Herstellung wird verwendet:
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Schritt A:
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Eine
Form 38 wird bereit gestellt, die einen Boden 40,
zwei Hauptoberflächen 42,
zwei Nebenseitenoberflächen 44 und
eine offene Oberseite 46 aufweist, wobei die Distanz zwischen
zwei Hauptoberflächen 42 das
1,2 bis 1,8-fache der Hauptachse der Pellets 18 beträgt. Beispielsweise
werden 8 mm Pellets verwendet und der Abstand zwischen den Hauptoberflächen beträgt 10 mm.
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Schritt B:
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Die
Pellets 18 werden in die Form 38 eingebracht,
um eine Mehrzahl von übereinander
angeordneten Reihen 20 aus Pellets 18 zu bilden,
die sich im wesentlichen entlang der gesamten Distanz zwischen den
Nebenseitenoberflächen 44 und
vom Boden 40 im wesentlichen zu der offenen Oberseite 46 erstrecken.
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Schritt C:
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Die
Form 38 und die darin enthaltenen Pellets 18 werden
inkrementell erhitzt, zuerst auf eine Temperatur von ungefähr 100°C und dann
weiter auf eine Temperatur von mindestens 100°C über dem Fließpunkt des
Materials, das in die Form gegossen werden soll. Beispielsweise
hat Aluminium einen Fließpunkt
von ungefähr
540°C und
erfordert das Erhitzen der Form zusammen mit den darin enthaltenen
Keramikpellets auf über
640°C. Abhängig von
der verwendeten Legierung ist als vorteilhaft gefunden worden, die
Form auf eine Temperatur von 850°C
zu erhitzen.
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Schritt D:
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Das
geschmolzene Material 16, z.B. Aluminium C443.2 ASTH B
85 oder GBD-AlSi9Cu2 wird in die Form 38 gegossen, um die
selbe zu füllen.
Ein typischer Gießtemperaturbereich
für Aluminium
ist 830 bis 900°C.
Polycarbonat wird zwischen 250 und 350°C gegossen. In vorteilhafter
Weise werden die Oberflächen der
Form 38 mit einer Vielzahl von Luftlöchern 48 versehen,
um das Entweichen von Luft zu erleichtern, während geschmolzenes Material 16 hier
hineingegossen wird. Während
des Gießens
werden die Pellets 18 leicht in Übereinstimmung mit den hydrostatischen
und hydrodynamischen Kräften,
die auf sie von dem geschmolzenen Material ausgeübt werden, umgeordnet.
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Schritt E:
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Dem
geschmolzenen Material 16 wird erlaubt zu erstarren.
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Schritt F:
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Das
Verbundpanzerungsmaterial 10 wird aus der Form 38 entfernt.
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Die
folgende Ausführungsform
eines Herstellungsverfahrens beinhaltet die Verwendung eines Epoxidharzes,
um eine wärmeausgebildete
Matrix zu bilden. Wie dies bekannt ist, können Epoxidharze bei Raumtemperatur
gegossen und chemisch gehärtet
werden oder deren Aushärten
kann durch Anwendung von Hitze beschleunigt werden. Epoxidharzpanzerung
ist geeignet für
die Verwendung in Flugzeugen. Die Streckgrenze und das Elastizitätsmodul
werden beide durch Zusatz von Faserverstärkung verbessert.
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Schritt A:
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Eine
Form 38 mit einem Boden 40, zwei Hauptoberflächen 42,
zwei Nebenseitenoberflächen 44 und einer
offenen Oberseite 46 wird bereit gestellt, worin die Distanz
zwischen den zwei Hauptoberflächen 42 ungefähr das 1,2
bis 1,8-fache der Hauptachsen der Pellets 18 beträgt.
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Schritt B:
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Die
Pellets 18 werden in die Form 38 eingebracht,
um eine Mehrzahl von übereinander
angeordneten Reihen 20 von Pellets 18 zu bilden,
die sich im wesentlichen entlang der gesamten Distanz zwischen den
Nebenseitenoberflächen 44 und
von dem Boden 40 im wesentlichen zu der offenen Oberseite 46 erstrecken.
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Schritt C:
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Flüssiger Epoxidharz
wird in die Form 38 gegossen, um dieselbe auszufüllen.
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Schritt D:
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Dem
Epoxidharz wird erlaubt zu erstarren.
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Schritt E:
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Das
Verbundpanzerungsmaterial wird aus der Form 38 entfernt.
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Mit
Bezug auf 6 ist eine Verbundpanzerplatte 50 für die Absorbierung
und Zerstreuung von kinetischer Energie von Hochgeschwindigkeitsprojektilen
illustriert.
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Die
Platte ist mit einer einzelnen inneren Schicht aus einer Mehrzahl
von Keramikkörpern
mit hoher Dichte 52, die in Plattenform von einem erstarrten
Material 54, z.B. Epoxidharz gebunden und zurückgehalten werden,
versehen. Die Körper 52 sind
in einer Mehrzahl von benachbarten Reihen angeordnet, worin die
Pellets 52' entlang
der Kante der Platte in direktem Kontakt mit vier benachbarten Pellets
sind, während
die inneren Pellets 52'' in direk tem
Kontakt mit sechs benachbarten Pellets sind. Die Hauptachsen AA
der Pellets 52 sind im wesentlichen parallel zueinander
und rechtwinklig zu der Plattenoberfläche 56.
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Die 7a und 7b illustrieren
Einschlagmuster und gemessene Distanzen zwischen Einschlagpunkten
auf zwei Platten, die gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellt und unabhängig
von der Societe A.R.E.S., Frankreich getestet worden sind.
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Jede
Platte hatte Abmessungen von 25 × 30 cm und eine Mehrzahl von
Pellets mit im wesentlichen zylindrischer Form und mit zumindest
einer konvex geformten Endfläche,
wobei der Durchmesser von jedem der Pellets ungefähr 12,7
mm betrug und die Höhe
der Pellets, inklusive der konvexen Endfläche, ungefähr 11 mm betrug, wobei die
Pellets in einer Mehrzahl von benachbarten Reihen von Epoxidharz
gebunden waren, und wobei die Platte gemäß 7a eine
innere Verstärkungsschicht
hatte, die 12 mm dick war und aus Dyneema® hergestellt
ist, und die Platte gemäß 7b eine
innere Verstärkungsschicht
hatte, die 12 mm dick ist und aus Dyneema® hergestellt
ist. Die erste Vielschichtpanzerplatte hatte ein Gewicht von nur
38,6 kg/m2 und die zweite Vielschichtpanzerplatte
hatte ein Gewicht von 33,6 kg/m2.
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Die
erste Platte wurde von einer Serie von drei 7,62 × 51 PPI
Projektilen, die mit einer zunehmenden Geschwindig keit von 831,1
m/Sek, 845,7 m/Sek und 885,8 m/Sek bei einer Höhe 0 und auf einer Distanz
von 13 m zum Ziel getroffen.
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Keines
der drei Projektile, von denen festgestellt wurde, dass sie in einem
dreieckigen Bereich waren, der Seitenlängen von nur 5 cm hatte, durchdrang
die Platte.
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Die
zweite Platte wurde von einer Serie von vier 7,62 × 51 PPI
Projektilen, die nacheinander mit einer Geschwindigkeit von 783,7
m/Sek, 800,2 m/Sek, 760,5 m/Sek und 778,4 m/Sek bei einer Höhe von 0
und einer Entfernung zum Ziel von 13 m getroffen.
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Keines
der vier Projektile durchdrang die Platte, obwohl die Projektile 1 und 3 innerhalb
von nur 3 cm voneinander gefunden wurden, und das Projektil 4 innerhalb
von 7 cm von den Seiten der Platten gefunden wurde, ohne daran Schaden
anzurichten.
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Diese
Tests zeigen eindeutig die überlegenen
Multiaufschlageigenschaften der Verbundpanzerplatte der vorliegenden
Erfindung.
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Tabelle
1 ist eine Reproduktion eines Testberichts mit Bezug auf ballistische
Widerstandstests, die auf einer Platte ausgeführt worden, die eine Mehrzahl
von Pellets mit im wesentlichen zylindrischer Gestalt mit zumindest
einer konvex geformten Endfläche
aufwies, wobei die Durchmesser von jedem der Pellets ungefähr 19 mm
und die Höhe
der Pellets, inklusive der konvexen Endfläche ungefähr 23 mm betrugen, wobei diese Pellets
in einer Mehrzahl von übereinander
angeordneten Reihen von Epoxidharz gebunden waren, und wobei die
Platte eine innere Verstärkungsschicht
aufwies, die 24 mm dick war und aus Dyneema® bestand.
Die gesamte Vielschicht-Panzerplatte hatte ein Gesamtgewicht von
nur 80,9 Pfund.
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Wie
dies in Tabelle 1 gezeigt ist, war die Munition, die für die ersten
und zweiten Testschüssen
verwendet wurde, 14,5 mm panzerbrechende B-32 Kugeln mit zunehmend
höheren
Werten an durchschnittlicher Geschwindigkeit, während die übrigen Testschüsse, die
auf die selbe 24 × 24
Zoll Platte gemäß der vorliegenden
Erfindung abgefeuert wurden, eine hohe Geschwindigkeit hatten und
20 mm Fragment STM Projektile waren. Das erste Projektil wurde mit
einer Geschwindigkeit von 3303 Fuß pro Sekunde abgefeuert, gefolgt
von einem zweiten 14,5 mm panzerbrechenden Projektil, das nachfolgend
mit einer Geschwindigkeit von 3391 Fuß pro Sekunde abgefeuert wurde,
gefolgt von zwei 20 mm Fragment STM Projektilen, die mit einer durchschnittlichen
Geschwindigkeit von 4333 und 4437 Fuß pro Sekunde abgefeuert wurden,
wobei nur das vierte Projektil die Platte durchdrang, die bereits
zuvor drei Treffer überstanden
hatte. Tabelle
1
Testplatte
Munition
Aufbau
Anwendbare
Standards oder Verfahren
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Tabelle
2 ist eine Reproduktion eines Testberichts mit Bezug auf ballistische
Widerstandstests, die auf einer Platte durchgeführt wurden, die eine Vielzahl
von Pellets mit im wesentlichen zylindrischer Gestalt mit zumindest
einer konvex geformten Endfläche
aufwies, wobei die Durchmesser von jedem der Pellets ungefähr 19 mm
und die Höhe
der Pellets, inklusive der konvexen Endfläche ungefähr 23 mm betrug, wobei die
Pellets in einer Vielzahl von übereinander
angeordneten Reihen von Epoxidharz gebunden waren, und wobei die
Platte eine innere Verstärkungsschicht,
die 17 mm dick war und aus Dyneema® bestand
und eine weitere 6,35 mm dicke Verstärkungsschicht aus Aluminium
aufwies. Die gesamte Vielschichtpanzerplatte hatte ein Gesamtgewicht
von nur 78,3 Pfund.
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Wie
dies in Tabelle 2 gezeigt ist, war die Munition, die für den ersten
Testschuss verwendet wurde, ein 20 mm Fragment STM Hochgeschwindigkeits-Projektil,
wohingegen die übrigen
Testschüsse,
die auf die selbe 24,5 × 24,5
Zoll Platte gemäß der Erfindung
abgefeuert wurden, 14,5 mm panzerbrechende B-32 Kugeln mit zunehmend
höheren
durchschnittlicher Geschwindigkeitswerten waren. Das erste Projektil
war ein 20 mm Fragmentprojektil, das mit einer Geschwindigkeit von
4098 Fuß pro
Sekunde abgefeuert wurde, gefolgt von sieben 14,5 mm panzerbrechenden
Projektilen, die nacheinander mit Geschwindigkeiten von 2764 bis
3328 Fuß pro
Sekunde abgefeuert wurden. Es wird festgestellt werden, dass nur
bei einer durchschnittlichen Geschwindigkeit von 3328 Fuß pro Sekunde
die achte panzer brechende B-32 Kugel die Platte durchdrang, die bereits
sieben vorherige Treffer überstanden
hatte. Tabelle
2
Testplatte
Munition
Aufbau
Anwendbare
Standards oder Verfahren
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Es
ist für
den Fachmann offensichtlich, dass die Erfindung nicht auf die Details
der zuvor illustrierten Ausführungsformen
begrenzt ist, dass die vorliegende Erfindung in anderen spezifizierten
Formen ausgeführt werden
kann, ohne dabei von den Ansprüchen
abzuweichen. Die vorliegenden Ausführungsformen sind daher in
jeglicher Hinsicht als illustrierend und nicht einschränkend anzusehen
und der Bereich der Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche und
nicht durch die vorhergehende Beschreibung bestimmt und alle Veränderungen,
die sich aus der Bedeutung und in dem Bereich der Äquivalenz
der Ansprüche
ergeben, sollen daher als davon umfasst gelten.
Munition
Aufbau
Anwendbare Standards oder Verfahren
Munition
Aufbau
Anwendbare Standards oder Verfahren
