KR20100081325A - 개선된 경량 장갑 보호구를 위한 장치, 방법 및 시스템 - Google Patents

개선된 경량 장갑 보호구를 위한 장치, 방법 및 시스템 Download PDF

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KR20100081325A
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리 스매더스
웨인 버크
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제너럴 다이내믹스 랜드 시스템즈, 아이엔시.
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Abstract

위협 발사체의 에너지를 이용하는 것에 의해 복합 장갑(composite armor)의 성능을 향상시키는 장치, 방법 및 시스템이 제공된다. 전방 부재는 발사체가 충돌하는 표면 반대측의 면에 복수 개의 동심의 홈을 포함하고, 이들 홈은 백킹 플레이트(backing plate)에 있는 복수 개의 상보적인 동심의 채널과 결합한다. 충돌하는 발사체로부터의 힘은 백킹 플레이트의 채널과 맞물리도록 전방 부재의 홈을 압박한다. 홈 구성으로 인해 백킹 플레이트가 전방 부재의 후면에 압축 하중을 부여하게 되어, 발사체의 관통 개시시에 전방 부재가 인장력으로 인해 너무 빨리 파열되는 것을 방지한다. 각각의 동심의 홈의 각은, 압축 하중 형성 홈이 관통하는 전방 부재에 작용하는 발사체로부터의 인장 하중과 매칭되도록 하여, 발사체가 무력화될 때까지 전방 부재의 구조적 일체성을 유지하도록 선택된다.

Description

개선된 경량 장갑 보호구를 위한 장치, 방법 및 시스템{APPARATUS, METHODS AND SYSTEM FOR IMPROVED LIGHTWEIGHT ARMOR PROTECTION}
본 발명은 장갑 구조, 장갑 시스템 및 장갑 제공 방법에 관한 것이다.
장갑 구조는 운송 수단, 건물 및 사람과 충돌할 수 있는 발사체로부터 보호하기 위해 사용될 수 있다. 이와 관련하여, 운송 수단은 지상 차량, 선박, 잠수함, 항공기 또는 우주선을 포함할 수 있다. 장갑 구조는 종종 장갑 시스템을 포함하는 라미네이트(laminate)에 있어서의 구성 요소로서 마련된다. 복합재로 이루어진 전방 부재는 통상적으로 충돌하는 발사체를 파열시키고 파괴하기 위해 마련된다. 전방 부재 뒤에 있는 백킹 플레이트(backing plate) 또는 섬유 라이너는 전방 부재를 구조적으로 지지하고, 또한 잔여 발사체와 장갑 부분을 포획한다.
장갑 구조에서 통상적으로 사용되는 세라믹은 압축 모드로 작동하는 한 발사체를 무력화하는 데 유용한 재료이다. 예컨대, 탄화규소(SiC) 세라믹의 압축 강도는 3,900 MPa(566,000 psi)이지만, 인장 강도는 단지 380 MPa(55,000 psi)이다. 대부분의 금속에 대한 압축 강도 대 인장 강도의 비는 대략 1 : 1이지만, 장갑 세라믹의 경우 압축 강도 대 인장 강도의 비는 준정적 모드로 시험했을 때의 10 대 1 내지 탄도 충돌과 같은 동적 조건하에서 시험했을 때의 20 대 1의 범위이다.
장갑은 호스트 운송 수단, 건물 또는 사람에게 점점 더 부담을 지우고 있다. 이러한 부담은 중량의 증가, 공간의 증가 및 장갑에 의해 부과되는 비용을 포함한다. 이러한 증가하는 부담은 최신 발사체의 증가하는 위협 및 증가하는 치명성에 상응한다.
장갑으로서 사용되는 가장 일반적인 세라믹 재료는 알루미나 산화물이다. 최근 수년간, 알루미나 산화물보다 경량인 세라믹이 장갑으로서 개발되었다. 보다 신규한 세라믹으로는 질화알루미늄, 탄화규소 및 탄화붕소가 있으며, 이것으로 제한되지 않는다. 불행하게도, 이러한 보다 신규한 경량의 세라믹은 알루미나 산화물보다 훨씬 더 고가이다.
보다 경질이고 파괴 인성이 보다 큰 세라믹 재료가 일반적으로 장갑으로서 보다 양호하다는 일반적인 이해에 따라 장갑 시스템에 대한 요건에 부합하도록 맞춰진 개선된 등급의 세라믹 재료를 개발하고자 하는 연구가 계속되어 왔다.
세라믹 장갑 재료를 경화하는 다른 기술에서는 세라믹을 예하중 상태로 캡슐화하였다. 예하중은 통상 금속으로 제조된 둘레 압축 프레임에 의해 제공된다. 프레임은 또한 파열된 세라믹 장갑을 적소에 유지하여, 발사체가 이 파열된 세라믹을 한쪽으로 압박하고 호스트 물체를 관통하는 것을 방지한다. 세라믹 장갑의 캡슐화는 비용이 많이 드는 기술로, 그 구성이 실험실에서 호스트 운송 수단으로 적용되었을 때 수개의 통합 과제를 수반한다.
장갑 업계는 스코어링 시스템을 이용하여 "질량 효율성(mass efficiency)"이라고 하는 장갑 성능을 측정한다. 모든 발사체는 소정량의 장갑 강에 의해 정지될 수 있다. 장갑 업계에서, 성능 표준으로서 사용되는 강의 특정 합금은 RHA(Rolled Homogeneous Armor)로 지칭된다. 이것은 미군사 규격 MIL-STD-12560에 규정된 강의 템퍼(temper) 및 특정 합금이다. Em으로 나타내는 질량 효율성은 특정 위협 발사체를 정지시키는 데 요구되는 RHA의 단위 면적당 중량을 동일한 위협 발사체를 정지시키는 후보 장갑의 단위 면적당 중량으로 나눈 것이다. RHA 장갑은 Em이 1이다. 몇몇 세라믹 장갑 라미네이트는 철갑(AP)탄에 대해 강보다 양호한 질량 효율성을 나타낼 수 있다.
중량 제약 조건으로 인해, 장갑형 운송 수단의 페이로드(payload)는 통상 증가된 장갑의 추가에 의해 감소된다. 현저히 개선된 성능과 보다 높은 질량 효율성을 갖는 장갑 시스템을 개발할 수 없다면, 운송 수단의 페이로드는 계속해서 감소되거나, 운송 수단의 전체 중량이 증가해야만 할 것이다.
본 발명의 목적은, 예컨대 무력화 메커니즘(defeat mechanism)의 부분으로서 발사체의 운동 에너지를 이용하는 장갑을 제공하는 방법, 장갑 구조 및 장갑 시스템을 제공하는 것이다.
아래에서 예로서 보다 상세히 설명되는 바와 같은 본 발명의 다양한 양태와 실시예는 종래 기술의 몇몇 결점과 관련 분야에서 대두되는 요구를 해결한다.
본 발명은 경량의 장갑 보호구를 제공하는 장치, 방법 및 시스템을 포함한다. 바람직한 실시예에서, 본 발명은 예컨대 입사 발사체를 무력화하도록 전방 부재로서 통합되는, 세라믹 또는 유리 부품에서의 인장 파괴를 지연시키기 위해 서로 상호 작용하는 방식으로 구성될 수 있는 일체형 압축 유도 백킹 플레이트와 전방 부재를 포함한다.
본 발명은, 예컨대 그 후방면으로부터 전방 부재의 인장 응력을 제어하도록 되어 있는 구성을 포함하고, 이에 따라 무력화 메커니즘이 입사 발사체의 에너지를 흡수하는 작용을 하는 시간을 연장한다.
본 명세서에 개시되어 있는 본 발명은 수개의 구조적 실시예에서 설명된다. 그러한 본 발명의 일실시예에서, 전방 부재는, 바람직한 실시예에서는, 백킹 플레이트에 있는 복수 개의 상보적인 수용 채널과 결합하는 면의 반대측 면 상에 복수 개의 홈을 갖도록 프로파일링된다. 홈과 채널은 동심, 즉 공통 중심을 공유할 수 있다.
발사체와의 충돌 중에, 발사체로부터의 힘은, 바람직한 실시예에서, 백킹 플레이트의 수용 채널 내면과 맞물리도록 전방 부재의 홈의 외면을 압박한다. 홈 및 대응하는 채널은 백킹 플레이트가 전방 부재의 후면에 압축 하중을 부여하고, 이에 따라 발사체 관통의 시작시에 전방 부재가 너무 빨리 인장 파괴되는 것을 방지하도록 특유하게 구성되는 것이 바람직하다. 전방 부재 홈의 바람직한 실시예에 따르면, 각각의 홈의 각도는 각각 홈 유도 압축 하중이 관통하는 발사체에 의해 유도되는 인장 하중과 매칭되도록 선택된다. 이에 따라, 장갑 재료의 구조적 일체성은 발사체가 무력화될 때까지 유지된다.
본 발명의 실시예의 백킹 플레이트는 전방 부재에 압축 응력을 유도하는 수단으로서 기능할 수 있다. 예컨대 홈 및 대응하는 채널을 포함하는 것에 의해 유도되는 이러한 압축 응력은, 통상 세라믹 장갑 재료의 파열을 초래할 수 있는 인장 응력을 상쇄한다. 발사체의 힘이 전방 부재의 정면에 인가될 때, 전방 부재의 후면 상의 홈은 백킹 플레이트의 대응하는 채널로 강제되며, 홈이 대응하는 채널로 강제될 때, 각진 채널벽이 홈과 전방 부재에 압축력을 부여한다.
본 발명의 바람직한 실시예의 추가의 특징은 호스트 구조를 백킹 플레이트로 사용하는 것이다. 이것은, 예컨대 장갑의 전방 부재의 후면과 결합되는 호스트 표면의 외면 상에 홈과 채널을 마련하는 것을 포함한다. 호스트는, 예컨대 항공기, 선박, 우주선, 사람 또는 동물이 착용하는 의복, 또는 건물을 포함할 수 있지만, 또한 다른 대상을 포함할 수도 있다. 본 실시예의 효과는 백킹 플레이트를 호스트의 구조 요소로서 상조적으로 사용하는 것이고, 이에 따라 장갑의 기생 부담을 감소시키고 전체 시스템의 질량 효율성을 더욱 증가시킨다.
본 발명의 설명되는 바람직한 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 본 발명의 유한 요소 모델은, 동심의 홈이 전방 부재에서의 내부 균열을 개시하는 반사 충격파를 효과적으로 차단할 수 있다는 것을 보여준다. 그러나, 비동심의 홈을 포함하는 구성이 사용될 수 있으며, 어떠한 실시예에서는 이러한 구성이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 동심의 홈은 전방 부재와 백킹 플레이트 사이의 접착면을 현저히 증가시키고, 이에 따라 전방 부재의 내구성과 비포장 도로용 전투 장갑차에 대해 특유한 환경에서 작동할 때 전방 부재가 제자리에서 이탈하는 것에 대한 저항성을 증가시킨다.
본 발명의 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 홈과 채널의 표면의 입사각은, 예컨대 세팅된 내측 홈에서부터 세팅된 외측 홈까지의 각각의 홈-채널 인터페이스에서의 표면각이, 전방 부재의 후면 상에서 달성되는 총 압축량에 비례하는 비율로 증가하도록 최적화될 수 있다. 홈 및 대응하는 채널의 각도와 공간은 평면형 렌즈를 통한 광의 제어를 위해 프랑스 과학자 오거스틴 프레넬(Augustin Fresnel)에 의해 규정된 프로파일과 대략 유사한 것으로 보일 수 있다. 그러나, 압축 하중을 최적화하는 표면의 입사각의 결정은, 프레넬 렌즈에 대한 초점 길이를 간단히 계산하는 것과 다르다. 프레넬 렌즈의 렌즈 세그먼트는 공통 중심 둘레의 구형 원호 또는 원호 부분이다. 공통면을 따른 렌즈 세그먼트는 얇은 소형의 광학 요소를 제공한다. 본 발명은 프레넬 구형 세그먼트의 "구조적" 장점을 이용하여, 전방 부재와 백킹 플레이트가 함께 결합된 상태에서 일련의 돔으로서 반응하도록 하고, 전방 부재의 각각의 돔 부분은 발사체 하중의 일부를 백킹 플레이트의 돔 부분으로 전달한다. 발사체가 전방 부재에 대한 입사 하중을 유발할 때, 전방 부재의 돔 부분은 백킹 플레이트의 돔 부재를 압축하고, 전방 부재의 후면은 입사 발사체의 하중과 직교하는 방향으로의 압축 상태가 된다. 프레넬 렌즈 구성에서 사용되는 일련의 돔과 구형 원호가 장갑 구성에 있어서 필수적인 것은 아니며, 경사면, 예컨대, 경사지거나 평평한 평면 및/또는 포물선 형상과 같은 다른 표면 형상을 사용하여 프레넬형 구조를 형성할 수 있다는 것이 이해됨은 물론이다.
본 발명의 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 종래 기술에서 종종 요구되었던 것과 같은 캡슐화 프레임이 장갑 구조의 둘레 주변으로부터 생략될 수 있다. 백킹 플레이트와의 상호 작용을 통해 전방 부재를 압축하는 이러한 신규의 메커니즘이 주어진 경우, 장갑 구조들은, 예컨대 캡슐화된 장갑에 대해 특유한 프레임에 관한 기생 부담 없이 차량의 표면에 걸쳐 연속적인 커버리지를 제공하도록 함께 효율적으로 끼어넣어질 수 있다.
본 발명의 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 전방 부재의 압축 예하중은, 에컨대 위협 발사체와의 충돌 이전에 달성될 수 있다. 이러한 선택적 예하중을 달성하는 한가지 방법은 전방 부재와 백킹 플레이트 사이의 접착제를 경화하는 동안 백킹 플레이트를 향하는 방향으로 전방 부재에 압력을 가하는 것에 의한 것이다. 강제(鋼製) 프레임 내에서 세라믹 장갑에 예하중을 가하는 종래 기술의 방법은 또한 본 발명의 실시예에서 단독으로 사용될 수도 있고, 전술한 예하중 압력 인가 방법과 조합되어 사용될 수도 있다. 제공되는 압축력의 크기는 캡슐화된 세라믹 장갑의 압축력보다 훨씬 클 수 있는데, 그 이유는 크기가 발사체의 압력으로부터의 하중에 비례하기 때문이다. 정적 조건하에서, 치형부에 대한 발사체의 압박에 의해 생성되는 것과 같은 그러한 압축 하중은 세라믹을 파열시킬 가능성이 있다. 동적 충돌 조건에서, 발사체는 또한 서로 중첩되는 인장 응력의 컬렉션(collection)을 유발할 수 있다. 홈에 대한 적절한 접촉각을 선택함으로써 압축 응력과 인장 응력이 상쇄될 수 있다. 전방 부재에 대한 압축 예하중은 일반적으로 발사체로부터의 하중과 홈의 각도에 비례한다. 분석을 통해, 관통 과정 중에 압축 예하중은 비교적 일정한 것으로 입증되었다. 그러나, 유도된 인장 하중은 시간 의존적이며, 헤르츠 접촉 응력(Hertzian contact stress), 플레이트(멤브레인 및 벤딩) 응력, 충격파 유도 응력 및 (잘게 파열된 전방 부재에 꽂히는 발사체로부터의) 정수압 응력의 중첩된 컬렉션이다.
본 발명의 설명된 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 본 발명은 특정 세라믹 또는 유리로 제한되지 않으며, 본 명세서에서의 설명은 본 발명을 세라믹 또는 유리의 사용으로 제한하는 것으로 해석해서는 안 된다. 알려져 있거나 발견된 재료 특징에 기초하여 다른 등가의 재료를 선택할 수 있다.
본 발명은, 예컨대 종래의 라미네이트형 세라믹 또는 캡슐화 세라믹의 성능을 현저히 개선하지만, 세라믹 용례로 제한되는 것은 아니다. 소정 세라믹으로는 질화알루미늄, 탄화규소 및 탄화붕소가 있지만, 이것으로 제한되는 것은 아니다. 성능이 보다 좋은 세라믹이 보다 양호하게 기능할 것임은 물론이지만, 또한 보다 고가이기도 하다. 본 발명은 알루미늄 산화물과 같은 저렴한 재료를 사용하여 개선된 결과를 달성하고, 이에 따라 몇몇 실시예에서는 궁극적으로 성능보다는 비용상의 이유로 이러한 저렴한 재료가 바람직할 수 있다.
본 발명의 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 전방 부재와 백킹 플레이트의 두께가 중량 및/또는 비용을 최소화하도록 최적화될 때, 발사체가 무력화된 후에 백킹 플레이트의 변형은 최소가 된다. 발사체는 본 발명에 따라 구성된 세라믹에 의해 거의 완전히 무력화될 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예는, 탄도학적 충돌 중에 외측 쉘의 변형이 최소화되어야 하는 본체 장갑 또는 운송 수단에 적합한 것이 적절하다.
본 발명의 설명되는 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 커버 플레이트의 추가는 전방 부재 위에 환경 커버를 제공한다. 상기 커버는 또한 발사체에 대한 관통 저항이 증가하도록 할 수 있으며, 이에 따라 질량 효율성이 더욱 증가하도록 한다. 본 명세서에서 설명되는 다른 특징과 같이, 이 특징도 선택적이다.
본 발명의 설명되는 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 발사체에 의한 타일(tile)의 손상 또는 파괴는 충격을 받는 타일로 제한될 수 있다. 인접한 타일들은 최소로 영향을 받을 수 있고 인시츄(in situ)식으로 보수 가능하게 손상될 수 있다.
본 발명의 실시예의 또 다른 특징에 따르면, 장갑 구조는 예상되는 위협에 따라 또는 제품 개선의 결과로서 분리되어 업그레이드되거나 변경되기에 적합하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 장갑은 전방 부재, 커버 빛 백킹을 갖는 일체형 단일 타일로서 구성될 수 있다. 차량 개조에 매우 적합한 전형적인 실시예에서, 백킹의 프로파일은 전방 부재와 동일할 수 있다. 일체형 백킹 시스템을 구비하는 전방 부재는 증가된 장갑 보호성을 제공하도록 기존의 차량 표면 위에 타일링(tiling)(예컨대, 접착되거나 그렇지 않은 경우에는 균일하게 또는 선택적으로 고정)될 수 있는 자기 수용(self-contained) 또는 예조립 패키지를 제공할 수 있다.
본 발명을 더 이해하도록 하기 위해 포함되고 본 명세서에 통합되어 본 명세서의 일부를 이루는 첨부 도면은 본 발명의 예시적인 실시예를 도시하고 있으며, 본 발명의 예시적인 실시예는 설명과 함께 도면에 있는 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 하지만 본 발명의 원리를 제한하지는 않는다.
본 발명에 따르면, 성능이 현저히 향상되고 질량 효율성이 보다 높은, 예컨대 무력화 메커니즘의 부분으로서 발사체의 운동 에너지를 이용하는 장갑을 제공하는 방법, 장갑 구조 및 장갑 시스템이 제공된다.
도 1은 본 발명의 실시예의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예의 육각형 전방 부재의 3차원 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예의 육각형 백킹 플레이트의 3차원 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예의 육각형 전방 부재의 3차원 사시도이다.
도 5는 본 발명의 실시예의 홈을 관통한 단면도이다.
본 발명은, 본 명세서에서 설명되는 특정 방법, 화합물, 재료, 제조 기술, 용도 및 어플리케이션이 변할 수 있기 때문에, 이들로 제한되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 특정 실시예를 설명하기 위한 목적으로만 사용되는 것이며 본 발명의 범위를 제한하고자 하는 의도는 없다는 것을 이해해야 한다. 본 명세서와 첨부된 청구 범위에 사용되는 단수 형태는, 내용상 달리 명확히 설명되어 있지 않다면, 복수를 지칭하는 것도 포함한다는 점을 유념해야 한다. 따라서, 예컨대 "요소"에 대한 언급은 하나 이상의 요소에 대한 언급이고, 당업자에게 알려져 있는 이에 대한 등가물을 포함한다. 이와 마찬가지로, 다른 예에 있어서 "단계" 또는 "수단"은 하나 이상의 단계 또는 수단에 대한 언급이며, 서브단계(sub-step) 또는 종속 수단을 포함할 수 있다. 사용되는 모든 접속사는 가능한 가장 포괄적인 의미로 이해해야 한다. 따라서, "또는"이라는 단어는 내용상 달리 명확히 필요로 하지 않는다면, 논리적인 "단지 또는"의 정의보다는 논리적인 "또는"의 정의를 갖는 것으로 이해해야 한다. 본 명세서에서 설명되는 구조는 또한 그러한 구조의 기능적 등가물을 일컫는 것으로 이해되어야 한다. 유사한 것을 나타내는 것으로 해석할 수 있는 언어는 내용상 달리 명확히 설명되어 있지 않다면 그러한 뜻으로 이해되어야 한다.
달리 정의되어 있지 않다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술 용어와 과학 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자가 통상적으로 이해하는 것과 동일한 의미를 갖는다. 바람직한 방법, 기술, 디바이스 및 재료가 설명되어 있지만, 설명한 것과 유사하거나 등가인 임의의 방법, 기술, 디바이스 또는 재료를 본 발명의 실시 또는 테스팅에 사용할 수 있다. 본 명세서에서 설명되는 구조는 또한 그러한 구조의 기능적 등가물을 일컫는 것으로 이해해야 한다.
도 1에는, 일실시예에 따른 일체형 장갑 구조(100)의 단면이 제시되어 있다. 일체형 장갑 구조(100)는 2개의 주요 구성 요소, 즉 전방 부재(130)와 백킹 플레이트(120)를 갖는 것을 알 수 있다. 백킹 플레이트(120)의 정면은 복수 개의 수용 채널(121)을 포함하는 한편, 전방 부재(130)의 후면은 상기 수용 채널에 대응하는 복수 개의 홈(131)을 포함한다. 전방 부지(130)에 있는 홈(131)의 외면(132)은 백킹 플레이트(120)에 있는 대응하는 수용 채널(121)의 내면(122)에 대해 지지됨을 알 수 있다. 각각의 홈의 높이는, 홈이 채널 기부(124)와 접촉하지 않도록(즉, 바닥에 닿지 않도록) 대응하는 수용 채널의 깊이보다 작은 것이 바람직하다. 각각의 홈은 홈의 루트(134)에서 전방 부재(130)의 후면에 마련된다. 예컨대, 전방 부재(130)의 정면 상에 선택적인 커버 플레이트(140)가 배치될 수 있다. 이 실시예에서, 커버 플레이트(140)는 전방 부재(130)와 충돌하기 전에 우선 발사체(190)와 충돌할 수 있다. 커버 플레이트(140)를 구비함으로써 장갑 구조 전체의 강도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 장갑 구조의 구성 요소 중 하나 이상을 약화시킬 수 있는 습기 또는 화재와 같은 환경 조건으로부터 장갑 구조를 실링하는 목적을 달성할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 커버 플레이트 및/또는 전방 부재의 외면은 발사체의 입사력(incident force)을 안내할 수 있도록 볼록하거나 오목하게 라운딩되거나 각질 수 있다.
전방 부재가 최대의 가능성을 발휘하고, 이에 의해 가능한 가장 경량의 장갑 시스템을 얻는 것을 보장하기 위해 백킹 플레이트의 전단 강도는 전방 부재의 전단 강도와 유사하거나 전방 부재의 전단 강도보다 큰 것이 바람직하지만, 이것이 필수적인 것은 아니다. 각각의 홈 루트(134)와 채널 베이스(124)에서의 교차각은 국부적 응력 집중 요인을 최소화하도록 달성 가능한 최대 반경으로 라운딩(필렛)되는 것이 바람직하지만, 이것이 필수적인 것은 아니다.
예컨대 도 2에 도시한 바와 같이, 전방 부재(217)는 후면이 상향하는 것으로 예시되어 있다. 이 실시예에서, 홈(216)은 원형이고 육각형 세라믹 타일(218)에 집적 마련된 것으로 도시되어 있다. 타일(218)은 예로서 육각형으로 도시되어 있지만, 특정 형상으로 제한되지 않는다. 홈(216)은 원형 구성으로 제한되지 않는다.
예컨대 도 3의 다른 실시예에 도시한 바와 같이, 정면이 상향하는 것으로 도시되어 있는 백킹 플레이트(320)는 육각형 둘레를 갖는 세라믹 타일로 형성된다. 이 경우에 동심원인 복수 개의 수용 채널(321)이 플레이트 내에 형성된다. 백킹 플레이트(320)는 예로서 육각형으로 도시되어 있지만, 임의의 특정 형상으로 제한되지 않는다. 이와 마찬가지로, 수용 채널(321)도 원형 구성으로 제한되지 않는다.
도 4에는, 다른 전방 부재(430)가, 후면이 상향하는 것으로 도시되어 있으며, 육각형 둘레를 갖는 세라믹 타일로 형성된다. 이 실시예에서는 복수 개의 홈(431)이 원형이고 플레이트에 직접 마련되는 것으로 도시되어 있다. 전방 부재(430)는 예로서 육각형인 것으로 도시되어 있지만, 특정 형상으로 제한되는 것은 아니다. 홈(431)은 원형 구성으로 제한되지 않는다.
도 5에는, 전방 부재(530) 상에 있는 홈의 외면(533)의 각도가 백킹 플레이트(520) 상에 있는 대응하는 채널의 내면(522)의 각도와 대략 동일한, 본 발명의 실시예가 도시되어 있다. 이들 2개의 면은 "연결면(interfacing surface)"이라고 칭할 수 있다. 연결면들의 각도가 장갑 구조의 중심에서 외측 둘레로 갈수록 증가할 때 최적 조건이 달성될 것으로 예상된다. 도 5의 실시예에 도시한 바와 같이, θ1은 θ2보다 크고, 또한 θ2는 θ3보다 크다. 홈의 외면의 각과 채널의 대응하는 내면의 각은 접촉하지 않는 것이 바람직하며, "비연결면"이라고 칭한다. 비연결면은 연결면 뒤에 있는 지지재를 최대화하도록 연결면의 각도에 대해 수직인 것이 바람직하지만(이에 의해 장갑의 강도가 증가함), 어플리케이션에 따라 수직보다 크거나 작을 수 있다.
연결면의 각도는 바람직하게는 5도 내지 20도의 범위이지만, 다른 각도를 사용하여 장갑을 위해 사용되는 재료의 소정 특성에 순응하고 예정된 위협에 대처할 수 있다. 또한, 표면각은 중심으로부터 연장되는 홈당 1도 내지 5도 중 어떠한 비율로도 증가할 수 있다. 입사각의 증가 비율은, 예컨대 홈들 사이의 거리와, 홈의 개수(바람직하게는 장갑 구조당 4개 내지 5개)와, 전방 부재, 커버 플레이트 및 백킹 플레이트를 위해 사용되는 재료의 강도 특성, 그리고 무력화할 발사체의 예정된 강도, 밀도 및 속도에 좌우될 수 있다. 연결면과 비연결면의 각도 결정은 프레넬 렌즈의 초점 거리의 결정에 사용되는 계산과 홈의 개수(피치)와 관련될 수 있지만, 결코 이것으로 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 몇몇 실시예의 테스팅 및 모델링은 장갑 시스템에 도입된 발사체의 무력화를 일으켰고, 이에 따라 발사체의 속도가 완전히 0으로 감소하였다. 전방 부재는 궁극적으로 발사체에 의해 파열되었지만, 지지 백킹은 아주 약간의 변형을 보였으며 관통이 일어나지 않았다.
전방 부재의 실시예의 후면에 있는 홈은 발사체와 충돌할 것으로 예상되는 장갑 플레이트의 손상 구역을 제한하고, 또한 인접한 장갑 플레이트를 손상으로부터 보호한다. 전체적인 효과는, 예컨대 다수 충돌 수용력(multi-hit capability)을 향상시키는 것이다.
따라서, 본 발명은 운송 수단, 건물 및 사람과 충돌하는 발사체로부터의 보호를 제공하는 경량 장갑을 제공하는 것이다. 발사체로는 소총탄, 유산탄, 산탄총 탄환, 파편, 폭발물, 폭발 성형탄(explosive formed projectile) 또는, 우주선의 경우에는 운석을 들 수 있으며, 이것으로 제한되는 것은 아니다. 또한, 폭발물로는 파이프 폭탄, 수류탄 및 간이 폭발물(Improvised Explosive Device; IED)을 들 수 있지만, 이것으로 제한되는 것은 아니다.
구체적으로는, 본 발명은 호스트 캐리어에 대한 완전한 또는 부분적인 보호 실드(shield)를 제공할 수 있다. 임의의 주어진 호스트 설비에 대해, 본 발명의 구성 또는 구조는 소망하는 보호 수준, 국부적인 호스트 구조의 구성 요소 또는 예상되는 위협 발사체의 공격 각도에 따라 변할 수 있다.
본 발명은 명세서의 예시와 도면에서 설명한 세부 사항으로 제한되지 않는다. 전방 부재의 두께, 커버의 두께 및 백킹의 두께는 예정된 위협을 무력화하기 위해 최적화될 수 있다. 도 2에 도시된 타일의 형상은 육각형으로 예시되어 있지만, 본 발명은, 예컨대 패싯(facet)의 개수를 제한하지 않는다.
치형부(예컨대, 홈과 채널 표면), 이 치형부의 깊이 및 치형부의 개수와 같은 전방 부재와 백킹 플레이트의 기하학적 특징부의 형상은 예상되는 발사체의 하중, 전방 부재를 위해 선택되는 재료의 타입 및 백킹 플레이트의 재료를 최적화하도록 선택되어야 된다. 보다 짧은 치형부는 구조적으로 보다 강건한 경향이 있지만, 보다 엄격한 제조 공차를 요구하는 것으로 확인되었다. 예컨대 홈의 루트와 채널의 베이스에 큰 반경을 제공하는 것은 본 발명의 적어도 하나의 실시예의 구조적 역량을 증가시키는 일례로서 양호한 기술적 실시이다.
홈의 패턴은 타일의 어플리케이션, 가능하다면 호스트 캐리어의 특정 표면 형상에 따라, 동심의 패턴의 원, 삼각형, 정사각형, 오각형, 육각형, 팔각형 또는 다른 다각형일 수 있다. 본 발명의 목적을 위해 "동심"은 공통 중심을 갖는 임의의 형상을 의미하는 것으로 이해해야 하며, 원형 또는 둥근 아이템으로 제한되지 않는다. 추가로, 본 발명의 다른 실시예는 비동심의 패턴을 채용할 수 있다. 이와 유사하게, 장갑 구조의 형상도 또한 전술한 형상 중 임의의 형상을 취할 수 있다.
백킹 플레이트에 대해 전방 부재를 유지하기 위해 포함될 수 있는 접착제는 선택적이다. 본 발명의 실시예는, 접착제를 필요로 하지 않으면서 커버 플레이트가 전방 부재를 적소에 유지하는 구성을 포함할 수 있다. 또한, 강제 프레임이 전방 부재와 백킹 플레이트를 외측 둘레에서 함께 유지할 수 있다. 다른 실시예는 전방 부재와 백킹 플레이트가 하나 이상의 볼트에 의해 연결되게 한다.
백킹 플레이트의 재료는, 예컨대 금속 또는 폴리머로 형성될 수 있다. 분석을 통해, 고강도의 알루미늄이 중량 효과적인 해결책을 제공한다는 것이 입증되었다. 호스트 차량 구조를 위해 상이한 재료가 선택된 경우, 본 발명의 최적의 실시예는, 호스트 차량에도 또한 부착될 수 있는 독립적인 백킹 플레이트에 장착되는 전방 부재일 수 있다.
장갑 보호 장치를 제공하는 방법 역시 제공된다. 예컨대, 전방 부재의 후면으로의 압축 예하중은 백킹 플레이트와 접촉하는 홈의 각도를 선택하는 것에 의해 재료에 맞춰질 수 있다. 전방 부재의 후면 상의 홈 형성 프로파일은 또한 발사체 충돌에 의해 시작되는 충격파를 차단하여, 적극적인 전파를 방지한다. 초기 발사체 충돌과 후속하는 발사체 충돌 중에 전방 부재에서의 압축 예하중은 인접한 타일 이력 또는 물리적 손상 조건과는 독립적으로 조정된다. 다양한 홈 패턴을 제공함으로써, 세라믹과 같은 특성(높은 압축 강도 대 인장 강도비)을 나타내는 고경질 표면으로서 사용되는 모든 재료의 성능이 향상된다.
방탄복과 같이 사람을 보호하는 데 적합한 본 발명의 실시예는 백킹 플레이트를 포함할 수 있는데, 그 이유는 사람에게는 고유한 외부 서브구조(substructure)가 없기 때문이다. 본 발명의 이점을 취할 수 있는 방탄 조끼에 장갑 라미네이트를 유지하는 많은 방법이 있다.
본 명세서에서는 본 발명을 수개의 실시예로 설명하였다. 본 발명의 의도된 사상과 범위로부터 벗어나는 일 없이 본 발명에 의해 향상된 세라믹 성능을 다양한 실시예에서 수용할 수 있는 많은 대안과 변형이 있다는 것이 자명하다. 전술한 실시예는 단지 예시적인 것이다. 당업자라면 본 개시물의 범위에 속하도록 의도되는, 본 명세서에서 구체적으로 설명한 실시예로부터의 변형을 이해할 수 있다. 이와 같이, 본 발명은 단지 후속하는 청구 범위에 의해서만 제한된다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구 범위와 그 등가물의 범위 내에 속한다면 본 발명의 수정을 포함하는 것으로 의도된다.
100 : 장갑 구조
120, 320, 520 : 백킹 플레이트
130, 217, 430, 530 : 전방 부재
131, 216, 431 : 전방 부재의 홈
121, 321 : 백킹 플레이트의 수용 채널
140 : 커버 플레이트
190 : 발사체

Claims (23)

  1. 복합 장갑(composite armor)으로서,
    충돌면과, 이 충돌면 반대측의, 복수 개의 홈을 더 포함하는 제2 면을 갖는 전방 부재와, 이 전방 부재의 홈과 연결되도록 구성되는 복수 개의 상보적인 대응 채널을 갖는 백킹 플레이트(backing plate)를 포함하는 복합 장갑.
  2. 제1항에 있어서, 상기 홈 및 대응하는 채널은 동심인 것인 복합 장갑.
  3. 제1항에 있어서, 상기 백킹 플레이트는 폴리머를 포함하는 것인 복합 장갑.
  4. 제1항에 있어서, 상기 백킹 플레이트는 금속을 포함하는 것인 복합 장갑.
  5. 제1항에 있어서, 상기 전방 부재 위에서 충돌면을 형성하는 커버 플레이트를 더 포함하는 복합 장갑.
  6. 제5항에 있어서, 상기 충돌면은 폴리머 또는 금속으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 재료를 포함하는 것인 복합 장갑.
  7. 제1항에 있어서, 전방 부재와 백킹 플레이트 간의 접착제 결합부를 더 포함하는 복합 장갑.
  8. 장갑 구조로서,
    두께를 갖고, 복수 개의 수용 채널을 포함하는 백킹 플레이트로서, 상기 수용 채널 각각은 상기 백킹 플레이트의 중심으로부터 측정된 반경과, 깊이와, 내면, 그리고 외면을 포함하며, 상기 수용 채널 중 적어도 하나의 수용 채널의 상기 내면 중 적어도 하나의 내면은 소정 입사각으로 경사진 표면을 갖고, 상기 수용 채널 중 적어도 하나의 수용 채널의 상기 외면 중 적어도 하나의 외면은 소정 입사각으로 경사진 표면을 갖는 것인 백킹 플레이트와,
    상기 백킹 플레이트 상에 배치되고, 두께, 정면 및 후면을 갖는 본체를 포함하는 전방 부재로서, 상기 후면은 적어도 하나의 홈을 포함하고, 상기 적어도 하나의 홈은 상기 전방 부재의 중심으로부터 측정된 반경과, 높이와, 내면, 그리고 외면을 포함하며, 상기 홈 중 적어도 하나의 홈의 상기 내면 중 적어도 하나의 내면은 소정 입사각으로 경사진 표면을 갖고, 상기 홈 중 적어도 하나의 홈의 상기 외면 중 적어도 하나의 외면은 소정 입사각으로 경사진 표면을 갖는 것은 전방 부재
    를 포함하는 장갑 구조.
  9. 제8항에 있어서, 상기 전방 부재의 적어도 하나의 홈은 상기 백킹 플레이트의 적어도 하나의 수용 채널에 대응하는 것인 장갑 구조.
  10. 제9항에 있어서, 상기 적어도 하나의 홈의 반경은 대응하는 상기 적어도 하나의 수용 채널의 반경보다 작은 것인 장갑 구조.
  11. 제9항에 있어서, 상기 홈 중 적어도 하나의 홈의 상기 외면 중 적어도 하나의 외면은 상기 수용 채널 중 적어도 하나의 수용 채널의 상기 내면 중 적어도 하나의 내면과 접촉하는 것인 장갑 구조.
  12. 제8항에 있어서, 상기 홈 각각의 외면의 경사면의 입사각은 각각의 홈을 수용하도록 정렬되는 상기 수용 채널 각각의 내면의 경사면의 입사각과 대략 동일한 것인 장갑 구조.
  13. 제8항에 있어서, 상기 홈과 수용 채널은 동심인 것인 장갑 구조.
  14. 제13항에 있어서, 상기 동심의 홈과 수용 채널의 패턴은 원형, 타원형 및 다각형 패턴으로부터 선택되는 것인 장갑 구조.
  15. 제8항에 있어서, 상기 백킹 플레이트는 폴리머, 금속, 또는 폴리머-금속 복합재로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 재료를 포함하는 것인 장갑 구조.
  16. 제15항에 있어서, 상기 백킹 플레이트는 고강도 알루미늄으로 제조되는 것인 장갑 구조.
  17. 제8항에 있어서, 상기 전방 부재의 정면 상에 배치되고, 충돌면을 형성하는 커버 플레이트를 더 포함하는 장갑 구조.
  18. 제17항에 있어서, 상기 충돌면은 폴리머 또는 금속으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 재료를 포함하는 것인 장갑 구조.
  19. 제8항에 있어서, 상기 전방 부재와 상기 백킹 플레이트 간의 접착제 결합부를 더 포함하는 장갑 구조.
  20. 제8항에 있어서, 복수 개의 상기 장갑 구조가 호스트 캐리어 상에 배치되고, 이에 따라 상기 호스트 캐리어에 대한 부분적인 보호 실드(shield)가 적어도 마련되는 것인 장갑 구조.
  21. 제20항에 있어서, 상기 장갑 구조는, 장갑 구조가 인접한 부분을 파괴하는 일 없이 제거될 수 있는 방식으로 적어도 하나의 장갑 구조가 호스트 캐리어 상에 배치되도록 호스트 캐리어 상에 배치되는 것인 장갑 구조.
  22. 호스트 캐리어에 대한 발사체를 무력화하기 위한 장갑 보호 장치를 제공하는 방법으로서,
    두께를 갖고 복수 개의 수용 채널을 포함하는 적어도 하나의 백킹 플레이트를 형성하는 것으로서, 상기 수용 채널 각각은 깊이를 갖고 내면 및 외면을 포함하며, 상기 수용 채널 중 적어도 하나의 수용 채널의 상기 내면 중 적어도 하나의 내면은 소정 입사각으로 경사진 표면을 갖고, 상기 수용 채널 중 적어도 하나의 수용 채널의 상기 외면 중 적어도 하나의 외면은 소정 입사각으로 경사진 표면을 갖는 것인 백킹 플레이트를 형성하는 것과,
    두께, 정면 및 후면을 갖는 본체를 구비하는 적어도 하나의 전방 부재를 형성하는 것으로서, 상기 후면은 복수 개의 홈을 포함하며, 상기 홈 각각은 높이를 갖고 내면 및 외면을 포함하며, 상기 홈 중 적어도 하나의 홈의 상기 내면 중 적어도 하나의 내면은 소정 입사각으로 경사진 표면을 갖고, 상기 홈 중 적어도 하나의 홈의 상기 외면 중 적어도 하나의 외면은 소정 입사각으로 경사진 표면을 갖는 것인 전방 부재를 형성하는 것과,
    호스트 캐리어 상에 적어도 하나의 백킹 플레이트를 배치하는 것, 그리고
    상기 적어도 하나의 백킹 플레이트 상으로 적어도 하나의 전방 부재를 압축하는 것
    을 포함하며, 상기 수용 채널 중 적어도 하나의 수용 채널의 상기 내면 중 적어도 하나의 내면과 접촉하는 상기 홈 중 적어도 하나의 홈의 상기 외면 중 적어도 하나의 외면 사이의 결과적인 힘으로 인해 상기 전방 부재의 본체 상에 압축 예하중이 형성되는 것인 장갑 보호 장치 제공 방법.
  23. 호스트 차량의 적어도 일부를 차폐하는 장갑판(armor plating)을 강화하기 위해 장갑판에 충돌하는 입사 발사체의 운동 에너지를 이용하는 방법으로서,
    호스트 차량 상에, 적어도 하나의 각진 표면을 갖는 적어도 하나의 지지 채널을 마련하는 것과,
    상기 적어도 하나의 지지 채널 위에 장갑판을 배치하는 것
    을 포함하며, 상기 장갑판의 후면은 적어도 하나의 지지 채널에 끼어넣어지도록 된 적어도 하나의 홈을 갖고, 상기 적어도 하나의 홈은 대응하는 상기 지지 채널의 상기 각진 표면과 대략 동일한 적어도 하나의 각진 표면을 가지며, 적어도 하나의 지지 채널의 적어도 하나의 표면의 적어도 일부는 적어도 하나의 홈의 적어도 하나의 표면의 적어도 일부와 접촉하고, 이에 의해 접촉면이 형성되며,
    상기 장갑판에 충돌하는 입사 발사체의 운동 에너지의 적어도 일부는 충돌 영역에서 상기 장갑판에 전달되고,
    상기 장갑판에 전달된 운동 에너지는 적어도 상기 접촉면에서 호스트 차량 상의 상기 적어도 하나의 지지 채널에 전달되며,
    상기 접촉면을 통해 호스트 차량 상의 상기 적어도 하나의 지지 채널에 전달된 운동 에너지의 적어도 일부는 상기 접촉면에 대해 수직인 방향으로 장갑판의 상기 적어도 하나의 홈으로 다시 반사되고,
    상기 반사된 에너지는 입사 발사체의 방향에 대해 수직인 방향으로 상기 장갑판의 적어도 일부 상으로의 압축 하중을 유발하며, 이에 의해 상기 장갑판이 강화되는 것인 입사 발사체의 운동 에너지 이용 방법.
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