JP2010534817A - メタルジェットを含む高エネルギー発射体に打ち勝つ装甲システム及び方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】
【解決手段】
相互に変位して自己結合ポリマーのシートと内側装甲板との間に第1の分散空間を形成する、外側装甲板の内側表面に装着されたファイバ強化装甲シートに関連する外側の堅固な装甲板と、内側装甲板と、内部装甲板とを有する、固形発射体に打ち勝つ装甲システム。第1の分散空間は、そこを通過する装甲の大きな横方向の分散を可能にするのに十分な厚さを有する。内部装甲板は、内側装甲板にほぼ平行に配置され、そこから変位して内側装甲板と内部装甲板との間に第2の分散空間を形成する。第2の分散空間は、そこを通過する材料の大きな横方向の分散を可能にするのに十分な厚さを有する。
【選択図】 なし
【解決手段】
相互に変位して自己結合ポリマーのシートと内側装甲板との間に第1の分散空間を形成する、外側装甲板の内側表面に装着されたファイバ強化装甲シートに関連する外側の堅固な装甲板と、内側装甲板と、内部装甲板とを有する、固形発射体に打ち勝つ装甲システム。第1の分散空間は、そこを通過する装甲の大きな横方向の分散を可能にするのに十分な厚さを有する。内部装甲板は、内側装甲板にほぼ平行に配置され、そこから変位して内側装甲板と内部装甲板との間に第2の分散空間を形成する。第2の分散空間は、そこを通過する材料の大きな横方向の分散を可能にするのに十分な厚さを有する。
【選択図】 なし
Description
本発明は、車両装甲を破砕するように設計された高エネルギー固体発射体による貫通に耐える装甲構造に関する。
(関連出願への相互参照)
本出願は、2006年9月15日出願の「Apparatus For Defeating High Energy Projectiles」という名称の米国特許出願第11/521,307号の一部継続出願である2007年3月2日出願の米国特許出願第11/713,012号に対する優先権を主張する。上記特許出願の内容は、参照により本明細書に組み込むものとする。
本出願は、2006年9月15日出願の「Apparatus For Defeating High Energy Projectiles」という名称の米国特許出願第11/521,307号の一部継続出願である2007年3月2日出願の米国特許出願第11/713,012号に対する優先権を主張する。上記特許出願の内容は、参照により本明細書に組み込むものとする。
従来の装甲は、固体又は噴流状の物体で装甲を貫通するか、又は開口部が形成され侵徹体(通常、装甲の一部に貼り付けられている)が通過するように、又は装甲の内層が剥落して装甲を物理的に貫通することなく高速で発射されるために装甲の破砕を引き起こすような方法で反射される装甲内で衝撃波を誘発することで装甲を破砕するように設計された様々な発射体にさらされる。
一部の対装甲兵器は、装甲の外側表面まで推進され、そこで成形爆薬が爆発して中実の装甲を貫通する金属の一般に直線の「噴流」を形成する。これらは、しばしば指向性爆薬(HC)兵器と呼ばれる。第2のタイプの対装甲兵器は、装甲を貫通するために高速で発射される直線的な重金属の侵徹体を使用する。このタイプの兵器は、EFP(explosive formed projectile:爆発成形弾)又はSFF(self forming fragment:自己鍛造弾)又は「鉄砲爆薬」又は「鋼板爆薬」と呼ばれることもある。
これらの兵器の一部では、実弾頭は、HCとEFPとのハイブリッドとして振る舞い、ターゲットに向かって発射された一連の金属侵徹体を生成する。本明細書では、そのような兵器をハイブリッド実弾頭と呼ぶ。ハイブリッド実弾頭は、それが有する「推進力」又はHC効果、及び最大でEFPのような単一の大型の侵徹体のどの程度の「推進力」又はHC効果を有するかに従って振る舞う。
HC噴流に打ち勝つ際に様々な防護システムが有効である。様々なシステムの中で最も知られているのは、衝撃時に爆発してHC噴流がターゲットを貫通する前にその大半を粉砕する防護層内の火薬を使用する反応装甲である。問題は、これらの火薬システムがEFP又はハイブリッドシステムを破砕する能力が低いことである。
装甲が中間に電気導体を配置した2つの層からなるそのような兵器を破砕する別のシステムが提案されている。電気導体と装甲の隣接する表面との間に高い電位が生成される。噴流又は伸張した固体侵徹体が装甲を貫通すると装甲の層と電気導体との間に導電性の経路が生成され、それを通して電位が放電される電気導体が生成される。侵徹体を通して放電される十分な電気エネルギーがある時には、侵徹体は溶融するか蒸発し、装甲の次の層を貫通する能力は大幅に低減する。
別のタイプの対装甲兵器は、比較的大きく、重く、一般に球状の固体発射体(又は一連の複数の発射体)を高速で推進する。球状の金属発射体が装甲に当たると、その衝撃が衝撃波を誘発し、衝撃波は装甲のプラグ状の部分が周囲の材料から剪断されて、それに金属発射体が付着した状態で金属発射体の経路に沿って発射されるような方法で反射する。
HCタイプの兵器がそれらが熟練技術を有する実体によって製造されることを必要とする設計の特徴及び材料を含み、一方、最新タイプの兵器(EFP及びハイブリッド)は、戦闘領域で容易に入手可能な材料から製造できる。その理由から、そのような兵器が有効であるという事実は、従来の装甲を用いた車両には厄介であることがわかっている。
3つのタイプの上記の実弾頭の貫通性能は、通常、固体量のRHA(均質圧延装甲)鋼装甲を貫通する能力として記載される。これらの兵器タイプの代表的な性能は以下の通りである。HC実弾頭は、1〜3フィート(30.48〜91.44cm)の厚さのRHAを貫通でき、EFP実弾頭は、1〜6インチ(2.54〜15.24cm)の厚さのRHAを貫通でき、ハイブリッド実弾頭は、2〜12インチ(5.08〜30.48cm)の厚さのRHAを貫通できる。これらの見積もりは、15ポンド(6.80kg)未満の重量の実弾頭をそれぞれの最適なスタンドオフ距離から発射した場合に基づく。RHAの最初の1インチ(2.54cm)によって形成される穴の直径は、HCが最大1インチ(2.54cm)、EFPが最大9インチ(22.86cm)、ハイブリッドがその中間である。様々な爆薬の最良のそれぞれの最適スタンドオフ距離は、以下の通りである。HC爆薬のスタンドオフ距離は、3フィート(91.44cm)以下で良好であるが、10フィート(304.8cm)以上できわめて劣悪である。EFP爆薬の場合、30フィート(914.4cm)までのスタンドオフ距離はほぼ同じ(良好な)貫通を達成し、50ヤード(45.72m)などの極めて遠距離になって初めて大幅な低下を示す。ハイブリッド爆薬の場合、10フィート(304.8cm)までのスタンドオフ距離では貫通は良好であるが、20フィート(609.6cm)を超えると大幅に低下し始める。これらの爆薬を使用する方法は、これらのスタンドオフ距離とそれらの有効性が最適化される方法(例えば、侵徹体の軌道の装甲に対する角度)によって決定される。これらの要因は防護装甲の設計に影響を及ぼす。
本発明は、ハイブリッド爆薬に対して有効である。これは、深い貫通を得るために道路の縁部付近に配置し、ターゲットの所望の部分に命中するために上向きの角度にしなければならないためである。従って、噴流はその軌道から少なくとも部分的に偏向し、その貫通力は低減される。その結果、ハイブリッド爆薬は、装甲の表面に垂直に命中しない。有効なEFPは、比較的長いスタンドオフ距離から命中でき、直角に十分深く貫通できる可能性があるが、本発明はEFPに対して極めて有効である。ハイブリッド及びEFPは、本発明が対処することを意図する脅威である。
いかなる対装甲発射体も十分な強度と厚さを有する装甲を打ち抜けないが、追加の装甲の厚さは重く高価であり、どの装甲車両も重量が増加し、車両のエンジン及び駆動トレーンにより大きい重荷を課す。
これらのタイプの兵器に対する重量面の利点を提供する装甲の解決策は、特定の兵器の貫通を阻止するのに必要なRHAと比較してどれだけのRHA重量を節約できるかによって測ることができる。この利点は、防護率、すなわち、兵器の貫通を阻止するために必要なRHA重量を同じ兵器を阻止する提案の装甲システムの重量で除算した値として計算できる。それらの重量は、兵器の予測軌道の方向に提示された単位前面面積あたりで計算される。
それ故、装甲の過剰な厚さを必要とすることなく対装甲装置からの発射体に打ち勝つことができる装甲が必要である。好ましくは、そのような装甲は、適切な費用で容易に製作でき、車両設計に組み込める材料で製造され、より好ましくは、既存の車両に追加することができる。
装甲車両に対する脅威が増加し、多様化するにつれて、様々な脅威に打ち勝つために装甲又は装甲システムの組合せが必要になる。本発明は、軍用突撃ライフルの弾丸、爆弾の破片及び地雷の爆発から車両を防護するのに必要な共通の設計特徴への追加である。EFP及びハイブリッド爆薬を含む装甲車両の防護レベルを上げる装甲システムについて以下に説明する。
本発明のさらなる目的及び利点を以下の説明で一部述べ、一部はこの説明から明らかであろう、あるいは本発明を実施することで理解できよう。本発明の目的と利点は、添付の特許請求の範囲に特に指摘した要素と要素の組合せによって理解され達成されるであろう。
上記目的を達成するため、及び本明細書で実施され概説された本発明の目的に従って、本発明は、固形発射体に打ち勝つ装甲システムを備える。このシステムは、外側表面と、内側表面とを有する堅固な外部装甲板を含む。ファイバを取り囲むポリマーによって結合されてシートを形成する3GPaより大きい極限引張強さを有する複数のファイバからなるファイバ強化装甲シートが外側の装甲板の内側表面に貼り付けられている。システムは、ファイバ強化装甲シートにほぼ平行に配置された内側装甲板をさらに含む。内部装甲板は、内側装甲版にほぼ平行に配置され、そこから変位して内側装甲板と内部装甲板との間に第2の分散空間を形成する。第2の分散空間は、そこを通過する材料の大きい横方向の分散を可能にするのに十分な厚さがある。
本発明の一実施形態は、ファイバ強化装甲シートのシート内のファイバが、基本的に、ポリパラフェニレンテレフタルアミド、伸張配向した高密度ポリエチレン、伸張配向した高密度ポリエステル、ピリドビスイミダゾールベースのポリマー、及びケイ酸塩ガラスからなる群から選択される材料からなる固体発射体に打ち勝つ装甲システムである。
上記概説及び以下の詳細な説明はもっぱら例示と説明のためであり、特許請求の範囲に記載する本発明を限定するものではないことに留意されたい。
本明細書に組み込まれその一部を構成する添付の図面は、本発明のいくつかの実施形態並びに上記の説明と共に、本発明の原理を示す。
その例が添付の図面に示された本発明の好ましい実施形態について以下に詳述する。各図面で、同一の又は類似の部分を指すのに可能な限り同じ参照番号を使用する。
本発明によれば、固体発射体に打ち勝つ装甲システムが提供される。本発明及びその実施形態は、製造された爆発装置又は改良された爆発物のいずれかによって形成され推進される伸張していない重い固体の金属発射体の貫通を比較的阻止できるが、その主要な用途は成形爆薬と重い固体発射体によって生成される伸張した金属「噴流」の装置に打ち勝つことである。システムのパラメータを選択して重量、密度、速度及びサイズが分かっている場合、特定の発射体に打ち勝つことができる。システムのパラメータは、本発明の各層を含む材料の層の機械的特性(極限引張強さ、かたさ、弾性率、破壊靭性及び強制衝撃の速度)、層の間隔(層間距離、すなわち、分散空間の厚さ)及び層間の空間に配置された任意の材料の性質である。
本発明のいくつかの実施形態は、システム内の少なくとも1つの装甲板の内部表面上に複数の突起を有する。内部表面上の複数の突起の目的は、板の内部表面を通して爆発する固体発射体を分散させることである。内部表面が材料の分散を誘発する仕組みは発射体が衝突する表面の突起の仕組みと同じでないこともあるが、仕組みにかかわらず、内部表面上の突起はそこからの材料の爆発を分散させ、そうすることで本発明の目的の1つを達成する。システムを通過する衝撃波は、板の内部表面での爆発のエネルギーを提供するが、爆発の方向は、内部に衝撃波のエネルギーを含む材料の内部表面の形状と衝撃エネルギーが伝達される内部表面に隣接した材料によって決定される。固体から衝撃エネルギーを受ける材料の強制衝撃波の伝達速度が大幅に小さい時、エネルギーは表面で反射し、伝達されない。例えば、衝撃波を内包する材料が固体(例えば、衝撃波を5000メートル/秒の速度で伝えるアルミニウム又は鋼)であり、衝撃波を受ける材料が空気(強制衝撃波の伝達速度がわずか330メートル/秒)の場合、この不一致によって板の表面にエネルギーが蓄積されて爆発が起こる。そのような爆発の1つの形態が破砕として知られている。
板を形成する固体材料の材料特性によって貫通線からのエネルギーの放散と運動量の伝達が引き起こされ、それによって、金属板の後部での破砕の状況が引き起こされる。材料がもろい(大半のセラミックのように)場合、前面の堅さの利点は後面では失われ、材料はわずかに伸張して破損し、材料は小片に破砕され、貫通線からのエネルギーの逸脱が低減するため破砕が起こる。10%以上の破損伸張値を示す時に鋼及び他の金属のような材料で大きい単一の破砕が広がることがある。高い伸張値に結合した高い引張強さ(アルミニウムの場合、30,000ポンド/平方インチ(約2109kg/cm2)を超えるような)を備えた材料の場合、大きい破砕をばらばらにするには大量のエネルギーが必要である。衝突する発射体の質量に対して重い破砕は、運動量保存の法則から、板の後部から外部へ向かい分散空間を越えて次の防護板に運ばれるコンポーネントの速度の低下が大きくなる。
システムが装甲システムの最も外側の層の、又はその付近の繊維状の材料の層を含む場合、繊維状の層は繊維状のシートを含むファイバの極めて高い引張強さのおかげでその開口部が拡張されるのに抵抗することで貫通する材料のエネルギーを減衰させる。伸張した侵徹体によって貫通された場合でも、元の開口部は拡張に抵抗し、伸長した侵徹体の横表面に高い剪断力を及ぼす。これによって侵徹体の速度が低下し、侵徹体内部のエネルギーが低減する。これによって、装甲システム内の次の層が侵徹体に打ち勝つか、又は侵徹体の進行をさらに遅らせて侵徹体が衝突するシステムの各層がそれに打ち勝つチャンスを増やす確率が高くなる。
以下に詳述するように、システムは、いわゆる分散空間によって分離された複数の層状の板から構成される。いくつかの実施形態では、表面に衝突する又は表面から爆発する材料の分散を誘発するために使用する外部又は内部表面の突起を両方の対向する表面上のシステムの板のいずれか1つの上、最も外側の表面上、最も内側の表面上で使用でき、又は全く使用しなくてもよい。
発射体の軌道(及びその予測貫通線)が知られている別の実施形態では、装甲板は貫通線が外部表面に垂直でない角度を向くことができる。そのような実施形態では、装甲板の少なくとも1つが発射体の予測軌道に対して傾斜している。板の各々が発射体の予測軌道に対して20°以上傾斜していることが好ましい。
本発明によれば、外側表面と、内側表面とを有する外側の堅固な装甲板が提供される。板は、平行な対向する平坦ないくつかの表面を有していてよく、又は実施形態によっては、発射体が最初に衝突する板の表面(「外部」表面)は外部表面上に複数の突起を含んでいてよい。突起は、板の外部表面上に衝突する固体発射体を少なくとも部分的にばらばらにするように配置されている。突起のサイズと構成は、発射体と板を形成する材料の特性によって決定される。第1の板の外部表面上の突起の目的は発射体に打ち勝つことではなく、同じ軌道にそって低速で移動する比較的重い発射体の前で高速で移動する金属の伸張した「噴流」をそらすことである。そのような侵徹体は、本明細書でハイブリッド兵器と呼ぶ存在の特徴を備える。以下に開示するように、本発明の主要な目的は、発射体が装甲システムを通過する際に発射体の分散を誘発することである。分散とは、発射体の各部及びシステム内の層を形成する材料のいずれかの部分の発射体の最初の軌道からの偏向である。
外部装甲層は、基本的に、シリコンカーバイド、ボロンカーバイド、アルミナ、及びジルコニアとアルミナの配合物からなる群から選択される焼結材料からなる。本発明の一実施形態は、80403コロラド州ゴールデン Table Mountain Parkway 16000所在のGroup CoorsTek,Inc.社のCoorsTek(登録商標)装甲製品であるCeraShield(商標) ceramicsのセラミックの外部装甲層を含む。他の好ましい実施形態は、鋼、アルミニウム合金、及びチタン合金を含む金属を含む。
本発明によれば、外側装甲板の内側表面に貼り付けたファイバ強化装甲シートが提供される。ファイバ強化装甲シートは、ファイバを取り囲むポリマーによって結合されてシートを形成する2.5GPaより大きい極限引張強さを有する複数のファイバからなる。理論に縛られることなく、繊維状の層を貫通する材料のいかなる噴流もファイバを横方向に分離しファイバに引張負荷を加えなければならないと信じられている。ファイバが十分に強い(大きい引張強さを有する)場合、噴流を取り囲む材料が噴流を締めつけ、大幅にその進行を遅らせる。噴流は、伸張した(爆弾に形成された)侵徹体の慣性によって装甲に打ち勝つため、噴流の速度の低下がその有効性を大幅に低減する。繊維状の層は本発明のシステムの装甲のいくつかの層の第1の層の1つであるため、後者の層は噴流に打ち勝つことがより容易である。
ファイバ技術の最近の発展によって、比較的軽い材料における3GPaを超える引張強さを有するファイバが生成されるようになった。好ましい実施形態では、ファイバ強化装甲シート内のファイバは、基本的に、ポリパラフェニレンテレフタルアミド、伸張配向した高密度ポリエチレン、伸張配向した高密度ポリエステル、ピリドビスイミダゾールベースのポリマー、及びケイ酸塩ガラスからなる群から選択される材料からなる。
好ましくは、ファイバ強化装甲シートのシートは、基本的に、伸張配向した高分子量ポリエチレン、特に600,000〜6,000,000g/モル以上の超高分子量を有する線状ポリエチレンからなる。そのようなファイバは共に結合されて、例えば、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、ポリエステル樹脂、アクリル樹脂などの熱硬化性樹脂などのポリマーマトリックス材料、又はポリメチルアクリレート(メタクリレート)などの極性熱可塑性マトリックス材料でシート状の製品を形成する。特に好ましいこのタイプのファイバ強化シート装甲は、市場ではオランダ BD Geleen 6160 私書箱1163 Urmond Mauritslaan 49 DSM Dyneema社製のDyneema(登録商標)として知られている。
別の好ましいファイバ強化装甲シートのシートは、基本的に、高分子量ポリプロピレン製の複合パネルからなる。そのような製品では、高分子量ポリプロピレンのテープヤーンが織布に織り込まれる。複数の織布の層が積み重ねられ、熱と圧力で圧縮されて低分子量ポリプロピレンをマトリックスとして用いて堅固なシートが形成される。このタイプの材料でできた特に好ましいファイバ強化装甲シートは、市場では、29303 米国サウスカロナイナ州スパータンバーグ 私書箱1926 Milliken Road 920所在のMilliken & Company社製のMTFシートとして知られている。
本明細書に実施され、図1に概略を示すように、外部装甲板12、繊維状の外部装甲板12’、内側装甲板14、及び内部装甲板15からなる一連のほぼ平行の板10がある。図示の実施形態では、繊維状の装甲板12’は、装甲板12の内側表面13上の外部装甲板12に結合されている。別の実施形態では、機械的固締具を用いて繊維状の装甲板12’を外部装甲板12に結合するか、又は繊維状の装甲板12’に貼り合せて分散空間(図示せず)を設けずに2つの隣接する装甲板の間に封じ込める。この実施形態では、装甲板12の外部表面11は平面である。
本明細書で用いる「装甲板」とは、発射体をばらばらにし、偏向させ、又は分散させるか、あるいは発射体のエネルギーを吸収してシステムの他の部分によって発射体に打ち勝つことを容易にするために配置された板状部材である。部材は、周知の装甲板材料(すなわち、強度が高い金属板)、従来の装甲板よりも強度が低い従来の金属板、又は本発明で装甲システム内の他の要素が発射体に打ち勝つように発射体に作用するために使用する繊維状の材料のシート状の部材でよい。好ましい実施形態では、内部装甲板15は装甲車両の車体を構成してもよい。
本明細書に実施され、図1に示すように、システムは、第1の分散空間18と、分離板12’及び14と、距離19と、第2の分散空間20とを含み、一連の板10の外部表面が板12の表面11である。
本発明によれば、一連の板は、分散空間によって分離されている。上記のように、分散空間は、隣接する板の間の空間であり、分散空間の機能はそこを通過する材料を横方向に分散させることである。横方向という用語は、発射体の飛行の最初の線、すなわち、軌道に対するある角度の方向を意味する。移動する材料が分散すればするほど、次の連続する層に衝突するエネルギーの集中は低減する。さらに、層間の距離が大きいほど(分散空間の厚さが大きいほど)、移動材料が所有する単位面積当たりの運動エネルギーは減少する。明らかに、分散距離が極めて大きい場合、最初の貫通線から運動エネルギーが拡散して失われるが、その結果得られる層状の構造は非現実的な厚さを有する。他方、分散空間の厚さが小さすぎると、移動する材料は分散せず、その運動エネルギーと運動量とは放散せず、システムの後の層に打ち勝つのに十分なエネルギーと密度を有することができる。本発明が関係する分野の当業者は、本明細書に提供される概略の案内を用いて、以下の例と組み合わせて特定の軌道に沿って特定の速度で移動する特定の発射体又は混合の発射体に打ち勝つシステムを考案することができる。
本発明の好ましい実施形態では、第1の装甲層は、発射体の破砕及び/又は変形を誘発する外部表面上の比較的薄くて固い材料、例えば、セラミック材料の層である。この実施形態では、第1の装甲層の機能は、発射体のエネルギーの一部を吸収し、発射体を平坦にし(その質量の少なくとも一部を横方向に変位させ)、その速度を大幅に低減することである。隣接する繊維状の装甲層12’は、発射体からエネルギーを吸収し、その速度を低減する。
本発明がそれに対抗する特定の用途を有する兵器が図2A及び図2Bに示されている。これらの図で、発射体16が爆発装置によって比較的重く低速で移動する部分16’を有するように形成されている。部分16’の先には、同じ軌道に沿ってより高速で移動する材料の伸張した「噴流」がある。すでに開示したように、噴流は高速で移動し比較的小さい断面積を有するため、装甲システムに大きな脅威となる。噴流がターゲットに達した直後に(またそのような噴流に可能な全ての影響をそのターゲットに与えると)、ターゲットの同じ部分は噴流が当たった同じ位置の発射体の重い部分16’から比較的大きい衝撃を受ける。
図2Bは、噴流が外部装甲板12と内部装甲板12”を貫通し、発射体の比較的の重い部分16’がそのエネルギーを装甲システムに与える前の本発明の一実施形態を示す図である。この時点で、繊維状の外部板の締めつけの効果が噴流部分16”の進行を遅らせ、外部装甲層12及び繊維状の外部板12’は破壊されているとはいえ、繊維状の層12’によって吸収されるエネルギーと外部装甲板12をばらばらにして繊維状の外部板12’を変形させ、可能であればばらばらにする発射体16の部分16’によって吸収されるエネルギーは、発射体16内のエネルギーを大幅に減衰させる。これによって、発射体16が装甲システムの残りの部分、すなわち本明細書で実施された層14及び16によって打ち負かされる可能性が大幅に増す。
装甲板内の衝撃波の速度が侵徹体の速度よりも大幅に大きいことがさらに好ましい。次に、装甲板の靭性を高めて耐性を向上させることができ、剪断線は、反射及び共鳴によって、角度αとして図2Bに示す好ましい剪断線を与えることができる。角度αが大きいほど、貫通される板の変形に吸収されるエネルギーは大きくなり、侵徹体とそれに付着する装甲の部分との組合せの重量は増加する。
鋼及びアルミニウム合金板内の強制衝撃波の速度は、約5,000メートル/秒である。従って、衝突する発射体がそれに近いかそれ以上の速度を有する場合、貫通動作は、HCの場合に似ている。HCの貫通は、貫通する材料の密度によって決まり、密度が低い材料のほうが良い結果となる。高速の衝突を扱う時には、アルミニウム装甲のほうが鋼装甲より好ましいが、先行する貫通によって速度が低減している時には頑丈な鋼板も有効である。EFPは、通常、2,500メートル/秒以下の速度を有し、ハイブリッドは3,000〜3,500メートル/秒で移動するより小さくて軽い先行の侵徹体を有する。従って、それらを阻止するのはより困難である。
侵徹体16”及び比較的重い発射体部分16’の速度が低下し基本的に1つの発射体に変形されると、発射体は予測可能な形で板を貫通又は剪断する。発射体の質量と速度との関係は、運動量保存の関係式Mp・Vp=(Mp+Ms)・(Vp&s)に従う。この式で、Mpは発射体の質量、Vpは衝撃時の発射体の速度、Msは板の剪断部分の質量、及びVp&sは発射体と板の剪断部分の組合せの速度である。
好ましい実施形態では、第1の分散空間は、第1の分散空間を通過する材料の大きな横方向の分散を可能にするのに十分な厚さがある。本明細書に実施するように、図1に示す一連の装甲板からなるシステムでは、第1の分散空間18は、材料(発射体と板の部分12)の大きな横方向の分散を可能にする十分な厚さ(矢印19で示す)を有する。
好ましい実施形態では、内側の装甲板14と内部装甲板15は、鋼板の場合に50,000ポンド/平方インチ(約3515kg/cm2)、アルミニウムの場合に30,000ポンド/平方インチ(約2109kg/cm2)の極限引張強さを有する。好ましくは、そのような層は、10%を超える引張破壊で伸張する。これらの装甲層が高い破壊靭性を有する時、外部層を貫通する材料の質量は増加する場合があるが、その速度は低下し材料は横方向に分散する。
装甲板14及び15がアルミニウム合金の場合、それらは少なくとも7%の破壊、より好ましくは、10%の破壊で伸張するアルミニウム合金から基本的に構成されることが好ましい。好ましいアルミニウム合金の例は、7017、7178−T6、7039 T−64、7079−T6、7075−T6及びT651、5083−O,5083−H113,5050 H116、及び6061−T6を含む。装甲層が基本的にアルミニウム合金からなる時には、装甲層は8〜40ミリメートルの範囲の厚さを有することが好ましい。装甲板14及び15が鋼の場合、そのような板は、少なくとも7%の破壊、より好ましくは、10%の破壊で伸張する材料から基本的に構成されることが好ましい。好ましい鋼の例は、SSAB Weldox 700、SSAB Armox 500T(スウェーデン OxelosundのSSAB Oxelosund社の製品)、ROQ−TUF、ROQ−TUF AM700(米国インディアナ州東シカゴMittal Steel社の製品)、ASTM A517,及び米国軍事規格MIL−46100に準拠する鋼を含む。装甲層が基本的に鋼からなるときには、装甲層は5〜20ミリメートルの範囲の厚さを有することが好ましい。
別の好ましい実施形態では、少なくとも1つの装甲板の1つ又は複数の表面は、発射体と発射体によって貫通される材料の破砕を誘発するように構成される。
本明細書に実施され、図3に示すように、装甲板12の外部表面11は、複数の突起28を含む。図3に示す突起は、ピラミッド形であるが、突起の構成は重要であるとは知られていない。突起28は、装甲板の外部表面に衝突する固体発射体を少なくとも部分的に粉砕し、溝30によって引き起こされる厚さの低減によって装甲板の強度が低下することなく誘発できる限りの貫通される材料の横方向の破砕を誘発するように配置されている。また、装甲システム内の装甲板の少なくとも1つが複数の突起を含む分散空間に面した内部表面を有することが好ましい。この実施形態では、突起は、貫通される層の横方向の破壊を誘発することで装甲板の内部表面を通して爆発する固体材料を分散させるように配置されている。この実施形態の最も外側の装甲層は外部表面にのみ突起を有するが、内側の装甲板は両方に突起を有する。層と発射体の破砕のために、次の隣接する板への衝撃は、より広い領域にわたって分散した複数の別々の衝撃になり、そのような材料が衝突する次の板は貫通への抵抗力が増し、もし貫通しても粉々に砕けるであろう。
本発明の別の実施形態も分散空間内に分散要素を配置することで層状の装置内の分散空間を通過する材料の横方向の分散を誘発する。極めて高速の衝撃条件で、分散要素に伝達される誘発された強制衝撃波は、侵徹体が分散要素に及ぼすエネルギーの大きな割合を運ぶ。次に、分散要素は、このエネルギーによって破砕として打ち出され、又は衝撃エネルギーを含む物体はエネルギーを別の対象に伝えなければならない。
本明細書に実施され、図4に示すように、システム10は、第1の分散空間18内の装甲層12’と14との間に位置する複数の球34を含む。これらの球は、基本的に、もろい金属、セラミック、及びガラスからなる群から選択される材料からなる。分散要素が衝撃を拡散できる液体又はゲルに囲まれている時には、分散要素は粉砕されることなくまた侵徹体の経路から外れることなくより多くの衝撃波を受けることができる。本明細書に実施されるように、システム10は、球34を取り囲むゲル35を含む。一実施形態では、補完的な強制衝撃波特性を備えた材料の組合せを使用することができる。例として、通常衝撃エネルギーの速度が5,000メートル/秒より速く、水(1,500メートル/秒)又はグリセリン(1,800メートル/秒)又はグリコール(1,800メートル/秒)のような液体又はそれらの液体の組合せによって囲まれたガラス又はセラミックの球がある。これらの液体は、ゼラチン又は溶融シリカ、ポタシウムポリアクリレート−ポリアクリルアミドコポリマー又は類似の有機ポリマーゲル剤のようなゲル化剤によってゲル化できる。
本発明によれば、別の装甲板にほぼ平行に配置され、そこから変位して別の装甲板と内部装甲板との間に第2の分散空間を形成する内部装甲板であって、第2の分散空間がそこを通過する材料の大きな横方向の分散を可能にするのに十分な厚さがある内部装甲板が提供される。
本明細書に実施され、図1に示すように、システムは内部装甲板15を含む。上記のように、内部装甲板の主要な目的は、システムの上側部分、すなわち、最も外側の装甲板及び分散空間の通過によって分散し進行が遅れた材料がさらに貫通しないようにすることである。図示の実施形態は、3つの板を含むが、本発明はその板の数に限定されず、従って、本開示での内部装甲板に隣接した「内部」装甲板への言及にも限定されない。それ故、本発明は、4つ以上の装甲板を含むことができ、内部装甲板はそこに衝突する材料のそれ以上の貫通を防ぐ高い破壊靭性を備える材料で構成されることがさらに好ましい。
内部装甲板は、350を超えるブリネル硬度を有する材料で構成されることが好ましい。内部装甲板は、基本的に、アルミニウム合金、合金鋼、及びチタン合金、金属マトリックス複合材料、及びポリマーマトリックス複合材料からなる群から選択される材料からなることがさらに好ましい。繰り返し開示したように、システムの主要な目的の1つは、装甲システムを通過する材料の分散を誘発してそのような材料がシステムを貫通しない確率を上げることである。
本発明の別の実施形態では、装甲システムが既存の装甲又は非装甲車両に組み込まれる。非装甲車両の場合、内部装甲板は、装甲システムを通過するいかなる材料も車両に侵入しないように材料の貫通を防止しなければならない。そうすることで、装甲を貫通する弾薬又は装置による攻撃に耐える非装甲車両の能力は大幅に改善される。装甲車両の装甲を貫通する弾薬又は装置による攻撃への抵抗力は装甲車両の外側表面に本発明を組み込むことでさらに改善される。
貫通抵抗力を改善した装甲車両の一実施形態を、装甲シートからなるモノコック車体38を有する耐爆風装甲陸上車両36の概略断面図である図5に示す。この実施形態では、車体38は、その頂点が車両のセンターラインに実質的に平行な少なくとも1つのV字部分を画定する底部40を有する。この実施形態では、本発明の装甲システムは装甲車両の外側に装着され、本発明の装甲システムの内部装甲層は車両の装甲シート車体を含む。
別の実施形態では、層状の装甲板の別のアセンブリが既存の車両又は車両の一部に追加されて上記の兵器に対する抵抗力が向上する。
好ましい実施形態では、装甲の内側の層は車両の車体を備える。図5に示す実施形態では、車体38の内側の層16を形成するためのシート材料は、少なくとも2つの異なるシート材料であってもよい。図示の実施形態では、V字部分42、ここでは「二重顎」Vを有する車体16の部分は、強靭なシート材料で形成できる。本明細書で使用する「強靭な」という用語はそれを通る裂け目の伝播を阻止する材料、一般に破壊靭性が高い材料を指す。本明細書に実施されるように、底部40(V字部分42を含む)を有する車体16の内側の層の部分は、好ましくは、「ROQ−tuf AM700」(米国インディアナ州東シカゴMittal Steel社の製品)として知られるシート鋼である。SSAB Weldox 700(スウェーデン OxelosundのSSAB Oxelosund社の製品)として知られる別の材料も底部40の材料として好ましい。A517,A514などのボイラーの製造に通常は使用される鋼とROQ−tuf及びWeldox 700に匹敵する類似の降伏強さと破壊伸張を有するその他の鋼も使用することができる。車体38の内側の層16の上部44は、好ましくは、装甲板で形成される。特に好ましい材料は、SSAB Armox 400(スウェーデン OxelosundのSSAB Oxelosund社の製品)として知られているが、米国MIL−A−46100に準拠する装甲も使用可能である。一般に、層16のシート材料は、基本的に、鋼、鋼装甲、チタン合金、及びアルミニウム合金の群から選択される金属からなることが好ましい。この好ましい実施形態では、内側の装甲層14と2つの外部層12及び12’がある。好ましくは、外部層12は、基本的に、シリコンカーバイド、ボロンカーバイド、アルミナ、及びジルコニアとアルミナの配合物からなる群から選択される焼結材料と、外側の装甲板の内側表面に貼り付けたファイバ強化装甲シート12’とからなる。ファイバ強化装甲シート12’は、ファイバを取り囲むポリマーによって結合されてシートを形成する極限引張強さが2.5GPaより大きい複数のファイバからなる。層14の好ましい組成は、上に開示されている。T
別の好ましい実施形態では、車体は、車体の内側表面に隣接した装甲シート46の層を含む。本明細書に実施され、図6に示すように、システムは、外部装甲層12及び12’と、内部装甲層14と、内側装甲層15とを含む。車体、ここでは16も車体の内側表面に隣接した装甲シート46の層を有する。別の好ましい実施形態では、この装甲シート46は、堅固なポリマー/ファイバ複合材料を含む。
装甲シート46は、ファイバからなる織布も含むことができる。図7に概略を示すように、さらに別の好ましい実施形態は、ファイバからなる織布46’と複数のセラミック板48の内側の装甲層を含む。
図8に示す別の実施形態では、車体38の内側表面に隣接した繊維状の装甲シート46’(又は堅固なポリマー/ファイバ複合材料46、あるいは金属装甲板の別の層(図示せず))は、内側表面から離間して空隙50を形成する。
本発明は固体発射体への抵抗力を提供するが、伸張した固体及び噴流状の発射体からの防護を追加する機会も提供する。上記背景技術の項で開示したように、間に導電体を配置した2つの装甲層を有するシステムがある。導電体と装甲の隣接する表面との間に大きい電位が生成される。噴流又は伸張した固体侵徹体が装甲を貫通すると装甲層と導電体との間に導電経路が生成され、それを通して電位が放電される。侵徹体を通して放電される十分な電気エネルギーがある場合、侵徹体は溶融するか蒸発し、装甲の次の層を貫通する能力は大幅に低減する。そのようなシステムは大きな不利益なしに本発明に容易に組み込めるため、本発明の好ましい実施形態は、2つの隣接する装甲板の間の分散空間内に配置された導電部材を含む。
本明細書に実施され、図9に示すように、導電部材54に電力を印加する電源52が配置され、2つの隣接する導電装甲板は接地されている。そのような実施形態では、導電部材54に印加される電力は、ここでは外部装甲板12として実施されている外部導電装甲板に接触する人員を感電の脅威にさらさない。この実施形態では、内側装甲板14も接地されているため、導電部材54及び内側装甲板14と電気的に接触する伸張した侵徹体も電力にさらされてその間の侵徹体が劣化する。繊維状の装甲シート12’、電気及び熱絶縁体があるため、侵徹体表面からの熱及び電気エネルギーの放散が低減してシステムの性能がさらに向上する。侵徹体の内部に熱と電気エネルギーとを閉じ込めることで、エネルギーは、より有効に侵徹体を劣化させる。本明細書に実施されるように、導電部材54は電力がスクリーン54と装甲層12とに印加された状態で板12と14との間にある。別の方法としては、スクリーンを装甲層14と15との間に配置して導電装甲層14と15を接地し導電部材54が電力を受けるようにしてもよい。電源は、十分な電力を供給して伸張した発射体の少なくとも一部を分散、溶融、蒸発又はその他の方法で劣化させて2つの隣接する装甲板の少なくとも一方と導電部材54との間を導通させる。この実施形態では、ファイバ強化装甲層12’によって繊維状の材料を通過する材料の分散が阻止されるため、第1の分散空間は、空間18’である。
図10は、電力を用いて本発明の装甲システムの性能を向上させる本発明の別の実施形態を示す。この実施形態では、導電部材54はファイバ強化装甲シート12’の内側表面に隣接している。好ましい実施形態では、導電部材54はその位置に接着され、この好ましい装甲システムの製作を容易にする。図10の実施形態では、装甲板12及び14は接地され、電力が導電部材54に印加される。図9の実施形態と同様、ファイバ強化装甲層12’によって繊維状の材料を通過する材料の分散が阻止されるため、この実施形態の第1の分散空間は空間18’である。
図11は、電力を用いて本発明の装甲システムの性能を向上させる本発明の別の実施形態を示す。この実施形態では、導電部材54は、ファイバ強化装甲シート12’の内側表面に隣接しているか、又は接着している。この実施形態では、電気絶縁体からなる層60が含まれる。好ましい実施形態では、外部層60は、基本的に、電気的絶縁とセラミック材料の高い圧縮強さによってある種のタイプの対装甲発射体に打ち勝つ際の利点の両方を提供するセラミック材料からなる。外部層12”は、装甲である必要はないが、任意の電気絶縁体を含むことができる。図11の実施形態では、装甲板12及び14に電力が印加され、導電部材54は接地されている。外部電気絶縁層12”があることで装甲システムの表面に接触する人員への電気的な危険は低減される。図9及び図10の実施形態と同様、ファイバ強化装甲層12’によって繊維状の材料を通過する材料の分散が阻止されるため、この実施形態の第1の分散空間は空間18’である。
図12は、電力を用いて本発明の装甲システムの性能を向上させる本発明の別の実施形態を示す。この実施形態では、導電部材54は、ファイバ強化装甲シート12’の内側表面に隣接しているか、又は接着している。別のファイバ強化装甲シート12”が導電部材54と内部装甲層14に隣接している。この実施形態では、電気絶縁体からなる外部層60を含むことができる。好ましい実施形態では、外部層60は、基本的に、電気的絶縁とセラミック材料の高い圧縮強さによってある種のタイプの対装甲発射体に打ち勝つ際の利点の両方を提供するセラミック材料からなる。外部層60は、装甲である必要はないが、任意の電気絶縁体を含むことができる。図12の実施形態では、装甲板12及び14に電力が印加され、導電部材54は接地されている。外部電気絶縁層60があることで装甲システムの表面に接触する人員への電気的な危険は低減される。ファイバ強化装甲層12’及び12”によって繊維状の材料を通過する材料の分散が阻止されるため、この実施形態では第1の分散空間は存在しない。
電力を用いて装甲システムの性能を向上させる実施形態では、システム内の任意の導電層に電力を印加して他の隣接する層を接地することができる。最も外側の層に電力を印加する構成は人員の危険のために好ましくないが、そのような構成も使用可能であり、本発明の範囲内である。高エネルギーシステムの分野の当業者は、本発明の装甲システムに必要な電力を供給する適当なシステムを容易に考案することができる。ファイバ強化装甲の電気絶縁層の存在によって、電気絶縁層に簡単なエアギャップよりも高い誘電率が与えられ、そのようなシステムを容易に使用することができる。その結果、隣接する導電層の間の放電の尤度を低減させながら高レベルの電力を印加することができる。
さらに、電源は、本発明の隣接する導電層に接続されたコンデンサシステムであってもよい。さらに、本発明の装甲システムの隣接する導電層は、そこを通過する発射体又は侵徹体に打ち勝つための電気エネルギーを蓄積するコンデンサシステムの板を含むことができる。
本発明を様々に変更し、変形できることは当業者には明らかであろう。本発明は、添付の特許請求の範囲及びその等価物の範囲に入る本発明の変更及び変形を含む。
Claims (24)
- 固体発射体に打ち勝つ装甲システムであって、
外側表面と、内側表面とを有する外側の堅固な装甲板と、
ファイバを取り囲むポリマーによって結合されてシートを形成する2.5GPaより大きい極限引張強さを有する複数のファイバからなる外側の装甲板の内側表面に貼り付けたファイバ強化装甲シートと、
前記ファイバ強化装甲シートにほぼ平行に配置され、そこから変位して前記ファイバ強化シートと内側装甲板との間に第1の分散空間を形成する内側装甲板と、
内側装甲板にほぼ平行に配置され、そこから変位して前記内側装甲板と前記内部装甲板との間に第2の分散空間を形成する内部装甲板であって、前記第2の分散空間が前記第2の分散空間を通過する材料の大きな横方向の分散を可能にするのに十分な厚さがある内部装甲板と、
を備える装甲システム。 - 前記ファイバ強化装甲シートのシート内のファイバが、基本的にフェノール樹脂、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、ポリエステル樹脂、アクリル樹脂及びポリメチルアクリレート(メタクリレート)からなる群から選択される材料からなるポリマーマトリックス材料でシート形状に結合される、請求項1に記載のシステム。
- 前記ファイバ強化装甲シートのシート内のファイバが、基本的にポリパラフェニレンテレフタルアミド、伸張配向した高分子量ポリエチレン、伸張配向した高分子量ポリエステル、ピリドビスイミダゾールベースのポリマー、及びケイ酸塩ガラスからなる群から選択される材料からなる、請求項1に記載のシステム。
- 前記ファイバ強化装甲シートが、各々が融点が高い内側の核と、強度が高いポリマー及び融点が低い外側の被覆と強度が低いポリマーとを有する複数のポリマーファイバからなる自己結合ポリマーのシートとを備える、請求項1に記載のシステム。
- 前記ファイバ強化装甲シートが、基本的にポリプロピレン及びポリエチレンからなる群から選択される材料からなる、請求項4に記載のシステム。
- 前記外部装甲層が、基本的にシリコンカーバイド、ボロンカーバイド、アルミナ、及びジルコニアとアルミナの配合物からなる群から選択される焼結材料からなる、請求項1に記載のシステム。
- 前記内側装甲板が、前記ファイバ強化装甲シートから変位して前記ファイバ強化装甲シートと前記内側装甲板との間に第1の分散空間を形成し、前記第1の分割空間が前記第1の分割空間を通過する材料の大きな横方向の分散を可能にするのに十分な厚さがある、請求項1に記載のシステム。
- 前記ファイバ強化装甲シートが、前記内側装甲板に結合している、請求項1に記載のシステム。
- 前記第2の分散空間内に位置する複数の球を含み、前記球が、基本的にもろい金属、セラミック、及びガラスからなる群から選択される材料からなる、請求項1に記載のシステム。
- 前記球が、液体及びゲルの群から選択される材料によって取り囲まれ、前記材料が、1,000メートル/秒より大きい強制衝撃の速度を有する、請求項9に記載のシステム。
- 前記分散空間内の2つの隣接する導電装甲板の間に配置された導電部材と、前記導電部材に電力を印加するために配置された電源であって、前記電源が、伸張した発射体の少なくとも一部を分散するのに十分な電力を供給して前記2つの隣接する装甲板の少なくとも一方と前記導電部材との間に電気接続を確立するために配置されている電源とをさらに含む、請求項1に記載のシステム。
- 分散空間の反対側の外部表面を有する少なくとも1つの装甲板が、前記外部表面上に複数の突起を含み、前記突起が、前記装甲板の前記外部表面に衝突する固体発射体を少なくとも部分的に粉砕するために配置される、請求項1に記載のシステム。
- 分散空間に対向する内部表面を有する少なくとも1つの装甲板が、前記内部表面上に複数の突起を含み、前記突起が、前記装甲板の前記内部表面から爆発する固体材料を分散させるために配置される、請求項1に記載のシステム。
- 前記分散空間に対向する前記内部装甲板の前記表面が、前記内部表面上に複数の突起を含み、前記突起が、前記内部装甲板の前記外部表面に衝突する固体材料を分散させるために配置される、請求項1に記載のシステム。
- 前記装甲板の各々が、そこを通過する衝撃波の速度の様々な値を有する材料からなる、請求項1に記載のシステム。
- 前記システムが、装甲車両の外側に装着されるアセンブリである、請求項1に記載のシステム。
- 前記車両が、車体を含み、前記車体が、前記車体の前記内側表面に装着された装甲シートの層を含む、請求項1に記載のシステム。
- 前記車体の前記内側表面に装着された前記装甲シートが、堅固なポリマー/ファイバ複合材料を含む、請求項17に記載のシステム。
- 前記車体の前記内側表面に装着された前記装甲シートが、ファイバからなる織布を含む、請求項18に記載のシステム。
- 前記車体の前記内側表面に装着された前記装甲シートが、ファイバからなる織布と、複数のセラミック板とを含む、請求項18に記載のシステム。
- 前記装甲シートが、前記内側表面から離間して空隙を形成する、請求項17に記載のシステム。
- 前記車両が、鋼シートからなるモノコック車体を有する耐爆風装甲陸上車両であり、前記車体が、少なくとも1つのV字部分を画定する底部を有し、前記V字部分の頂点が、前記車両のセンターラインに実質的に平行である、請求項16に記載のシステム。
- ハイブリッドの対装甲発射体に打ち勝つ方法であって、
外側表面と、内側表面とを有する堅固な外側装甲板を多層装甲システムの外部層として介在させるステップと、
前記外側装甲シートを打ち負かした任意の発射体が次のファイバ強化装甲シートに遭遇するように、前記外側装甲シートに隣接する前記ファイバを取り囲むポリマーによって結合されてシートを形成する3GPaより大きい極限引張強さを有する複数のファイバからなるファイバ強化装甲シートを介在させるステップと、
を含む方法。 - 前記ファイバ強化装甲シートにほぼ平行な内側装甲板を介在させるステップと、
前記内側装甲板にほぼ平行で、そこから変位して前記内側装甲板と前記内部装甲板との間に第2の分散空間を形成する内部装甲板を介在させるステップとをさらに含み、前記第2の分散空間がそこを通過する材料の大きい横方向の分散を可能にするのに十分な厚さがある、請求項23に記載の方法。
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