RU2072083C1

RU2072083C1 - Armor-protection member

Info

Publication number: RU2072083C1
Application number: RU93026008A
Authority: RU
Inventors: М.П. Кужель; Г.И. Иванов
Original assignee: Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики; Кужель Михаил Петрович; Иванов Геннадий Иванович
Priority date: 1993-05-05
Filing date: 1993-05-05
Publication date: 1997-01-20

Abstract

FIELD: armor constructions in individual and transport facilities of protection against bullets of small arms. SUBSTANCE: hinges 3 are installed in the armor member, using ceramic layer 1 on backing 2, on the edges of ceramic layer 1; stiffness of backing 2 varies from the center to the edges: the minimum stiffness is in the center, and the maximum one is in the zone of hinges 2. At such a design, in the initial moment of bullet action on ceramic layer 1, the central part of backing 2 gets involved in motion transferring part of force to the more stiff part of the backing, closer to its edges, which turn on hinges 3 and transfer the above force to ceramics, preventing premature destruction of backing 2. Ceramic layer 1 may have residual stresses, and backing 2 may be laminar. Ceramic layer 1 and backing 2 may be enclosed in thin impact elastic shell 4, and backing 2 may be installed on soft pad 5. EFFECT: enhanced reliability. 5 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области оружия и боеприпасов, в частности к броневым конструкциям, которые могут быть применены в индивидуальных и транспортных средствах защиты от воздействия пуль стрелковых систем. The invention relates to the field of weapons and ammunition, in particular to armor structures that can be used in individual and vehicle protection against the effects of bullets of rifle systems.

Известен защитный экран [1] предназначенный для защиты человека от поражения пулей или снарядом. Экран содержит слои арамидной ткани, локально склеенные между собой, причем в зонах склейки образуется жесткая зона в виде полос (границ) по определенному периметру. На слои арамидной ткани прикрепляются керамические пластины, при этом по периметру они опираются на жесткую зону. К керамической пластине может приклеиваться подложка. В этом случае керамическая пластина опирается на жесткие зоны через подложку. Кроме того, экран может иметь предохраняющую от травм прокладку. Такое исполнение экрана позволяет прежде всего
1) смягчить "гидроудар" на человека при воздействии пуль, при этом удар распределяется по жесткой зоне и передается на тело человека не по острым кромкам керамической пластины, а через указанные зоны по всему периметру;
2) при воздействии пули улучшаются защитные свойства экрана, заключающиеся в том, что слои ткани, ограниченные жесткой зоной по периметру, работают на улавливании осколков пули и керамики более эффективно, чем без этой зоны, жесткая зона позволяет каждому слою ткани деформироваться (тянуться) в отдельности, а без жесткой зоны все слои ткани работают как одно целое, при этом ее деформационные свойства ухудшаются, ткань не реализует в полной мере свои потенциальные возможности.Known protective shield [1] designed to protect a person from being hit by a bullet or projectile. The screen contains layers of aramid fabric locally glued to each other, and in the gluing zones a rigid zone is formed in the form of stripes (borders) along a certain perimeter. Ceramic plates are attached to the layers of aramid fabric, while along the perimeter they rely on a rigid zone. A substrate may adhere to the ceramic plate. In this case, the ceramic plate rests on hard zones through the substrate. In addition, the screen may have an injury-proof gasket. This screen design allows above all
1) to soften the "water hammer" on a person when exposed to bullets, while the blow is distributed over a rigid zone and is transmitted to the human body not along the sharp edges of the ceramic plate, but through these zones around the entire perimeter;
2) when exposed to a bullet, the protective properties of the screen are improved, consisting in the fact that fabric layers bounded by a rigid zone around the perimeter work by trapping fragments of a bullet and ceramics more efficiently than without this zone, a hard zone allows each layer of fabric to deform (stretch) into separately, and without a hard zone, all layers of the fabric work as a whole, while its deformation properties deteriorate, the fabric does not fully realize its potential capabilities.

Окончательно удар гасится предохраняющей прокладкой. Finally, the shock is suppressed by the safety pad.

Недостатком защитного экрана является то, что гидроудар все-таки локализуется, хотя и в меньшей степени, чем без жестких зон. При этом человеку (даже без пробития экрана) могут быть нанесены значительные травмы. Кроме того, керамический слой имеет недостаточную опору с тыльной стороны (не по всей поверхности), а только в зонах по периметру, что ухудшает его защитные свойства, при этом он более подвержен хрупкому разрушению. The disadvantage of the protective screen is that the water hammer is still localized, although to a lesser extent than without hard zones. In this case, a person (even without breaking the screen) can be seriously injured. In addition, the ceramic layer has insufficient support on the back side (not over the entire surface), but only in areas around the perimeter, which impairs its protective properties, while it is more susceptible to brittle fracture.

Известна также броневая плита [2] содержащая лицевой слой из керамики, приклеенной к подложке из композиционного материала. Для повышения защитных свойств бронеплиты поверхность керамики обработана на толщину 0,07.1,27 мм, при этом сошлифовываются поверхностные концентраторы напряжений (поры и т.д. ), которые способствуют хрупкому разрушению керамики. При обстреле бронеплита работает обычным образом:
керамический слой разрушает пулю;
подложка затормаживает и улавливает осколки разрушенных пули и керамики.Also known is an armor plate [2] containing a ceramic front layer glued to a composite material substrate. To increase the protective properties of the armored plate, the ceramic surface is processed to a thickness of 0.07.1.27 mm, while surface stress concentrators (pores, etc.) are polished, which contribute to the brittle destruction of ceramics. When firing armored plate works in the usual way:
the ceramic layer destroys the bullet;
the substrate inhibits and picks up fragments of destroyed bullets and ceramics.

За прототип выбрано броневое устройство [3] состоящее из слоев металла и минерала. An armored device [3] consisting of layers of metal and mineral was selected for the prototype.

Расположение слоев в плите:
лицевой слой выполнен из металла;
прилегающий к лицевому слой выполнен из минерала;
за слоем из минерала расположен металлический слой (подложка).Layout in the plate:
the front layer is made of metal;
adjacent to the front layer is made of mineral;
behind a layer of mineral is a metal layer (substrate).

При обстреле в начальный момент взаимодействия пули с броней в лицевом металлическом слое удар перераспределяется с небольшой контактной зоны на большую область, граничащую с минералом, что способствует повышению ее защитных свойств. Однако эффект от заявленного устройства проявляется только в узкой области при воздействии пули строго по нормали к слоям брони. Следует указать на недостатки такой брони. Известно, что взаимодействие пули с высокотвердым минералом (керамикой) (особенно при небольших отклонениях пули от нормали к поверхности брони) способствует ее еще большему отклонению от первоначальной траектории полета, вплоть до рикошета, при этом стойкость брони увеличивается (а пробивная способность пули ухудшается). В описываемой бронеплите лицевой металлический слой способствует стабилизации траектории пули при его пробитии (протыкании) брони, что в конечном счете улучшает пробивные свойства пули, а бронезащитные характеристики плиты ухудшаются. When fired at the initial moment of interaction of the bullet with the armor in the front metal layer, the shock is redistributed from a small contact zone to a large area bordering the mineral, which helps to increase its protective properties. However, the effect of the claimed device appears only in a narrow area when exposed to a bullet strictly normal to the layers of armor. The disadvantages of such armor should be noted. It is known that the interaction of a bullet with a high-hard mineral (ceramic) (especially with small deviations of the bullet from the normal to the surface of the armor) contributes to its even greater deviation from the original flight path, up to a rebound, while the resistance of the armor increases (and the penetration ability of the bullet deteriorates). In the described armor plate, the front metal layer helps stabilize the trajectory of the bullet when it penetrates (pierces) the armor, which ultimately improves the penetration properties of the bullet, and the armor-protecting characteristics of the plate deteriorate.

Основные задачи, которые должен решать бронезащитный элемент, следующие:
1) не пробивается при поражении бронебойно-зажигательными 7,62 мм пулями Б32 массой 7,9.10,4 г со скоростью до 750 м/с;
2) поверхностная плотность бронезащитного элемента должна быть не более 40 кг/м², а толщина не более 15.20 мм.The main tasks that an armor-protecting element should solve are as follows:
1) does not break through when struck by armor-piercing incendiary 7.62 mm B32 bullets weighing 7.9.10.4 g at a speed of up to 750 m / s;
2) the surface density of the armor-protecting element should be no more than 40 kg / m ² and the thickness not more than 15.20 mm.

Сущность предложенного бронезащитного элемента, содержащего керамический слой подложки, заключается в том, что по краям керамического слоя установлены шарниры, а жесткость подложки меняется от центра к краям, наименьшая в центре, наибольшая в зоне шарниров. The essence of the proposed armor-protecting element containing a ceramic layer of the substrate is that hinges are installed along the edges of the ceramic layer, and the stiffness of the substrate varies from center to edges, the smallest in the center, the largest in the hinge zone.

Кроме того, керамический слой может иметь остаточные напряжения, что при определенных условиях их распределения повышает его ударную стойкость. Подложка может выполняться как однослойной, так и многослойной. Выполнение подложки из нескольких слоев (возможно и из различных материалов) дает возможность
1) более эффективно (в более широких пределах) варьировать жесткостью подложки;
2) более эффективно затормаживать разрушенную пулю и осколки от разрушенного керамического слоя за счет расслоения при ударе и последующей деформации каждого отдельного слоя с большей реализацией их прочностных свойств.In addition, the ceramic layer may have residual stresses, which under certain conditions of their distribution increases its impact resistance. The substrate can be either single-layer or multi-layer. The implementation of the substrate from several layers (possibly from different materials) makes it possible
1) more efficiently (within wider limits) vary the stiffness of the substrate;
2) it is more effective to brake the destroyed bullet and fragments from the destroyed ceramic layer due to delamination upon impact and subsequent deformation of each individual layer with a greater realization of their strength properties.

Керамический слой и подложка могут быть заключены в вязкую на удар оболочку, что позволяет повысить живучесть бронезащитного элемента в целом за счет того, что после обстрела бронезащитный элемент сохраняет до определенного предела конструкционную прочность не разлетается на отдельные фрагменты. The ceramic layer and the substrate can be enclosed in a viscous shell for impact, which allows to increase the survivability of the armored element as a whole due to the fact that after firing the armored element retains structural strength to a certain limit and does not fly apart into separate fragments.

Бронезащитный элемент может быть установлен на мягкую демпфирующую подкладку, которая позволяет смягчить "гидроудар" на человека. The armor-protecting element can be installed on a soft damping lining, which allows you to soften the "water hammer" on a person.

Высокая стойкость бронезащитного элемента при его обстреле бронебойно-зажигательными 7,62 мм пулями Б32 массой 7,9.10,4 г со скоростью до 750 м/с достигается за счет того, что в начальный момент воздействия пули на керамический слой центральная часть подложки, имеющая наименьшую жесткость, воспринимает удар и вовлекается в движение, при этом передавая часть усилий на более жесткую часть подложки ближе к ее краям, которые, проворачиваясь на шарнирах, передают указанные усилия на керамику. При этом керамический слой со стороны торцев испытывает дополнительные усилия сжатия, тем самым улучшая свои защитные свойства за счет исключения разгрузки (краевых эффектов), бокового поджатия. Наличие шарниров в зоне наибольшей жесткости подложки позволяет предотвратить ее преждевременное разрушение, особенно в начальный момент взаимодействия пули с бронезащитным элементом, путем некоторого проворота подложки на них. В случае же жесткого скрепления (без шарниров) подложка, как правило, сразу же разрушается, вовремя не отреагировав на удар, не успев прогнуться и реализовать свои деформационные свойства в силу быстродействия удара. Пуля в свою очередь испытывает дополнительный заклинивающий эффект. За счет использования энергии удара на разрушение и заклинивание пули достигаются более высокие защитные свойства бронезащитного элемента. Далее, по мере продвижения пули и осколков от разрушения подложка, проворачиваясь на шарнирах, отслеживает движение пули и осколков, при этом их затормаживает. Кроме того, шарнирное закрепление и высокая жесткость подложки в зоне шарниров позволяют обеспечивать для подложки хорошие условия для расслоения (в случае слоистого исполнения) и более полной реализации при этом прочностных (деформационных) свойств каждого слоя подложки в отдельности. The high resistance of the armor-protecting element when it is fired by 7.62 mm B32 armor-piercing incendiary bullets weighing 7.9.10.4 g at a speed of up to 750 m / s is achieved due to the fact that at the initial moment of the bullet’s impact on the ceramic layer, the central part of the substrate having the smallest stiffness, perceives shock and is involved in movement, while transmitting part of the effort to the stiffer part of the substrate closer to its edges, which, turning on hinges, transfer these forces to the ceramic. At the same time, the ceramic layer on the side of the ends experiences additional compression forces, thereby improving its protective properties by eliminating unloading (edge effects) and lateral compression. The presence of hinges in the zone of maximum rigidity of the substrate helps to prevent its premature destruction, especially at the initial moment of interaction of the bullet with an armor-protecting element, by some rotation of the substrate on them. In the case of rigid bonding (without hinges), the substrate, as a rule, immediately collapses without timely response to the impact, without having time to bend and realize its deformation properties due to the impact speed. The bullet, in turn, experiences an additional wedging effect. Due to the use of impact energy to destroy and jam the bullet, higher protective properties of the armor-protecting element are achieved. Further, as the bullet and the fragments advance from destruction, the substrate, turning on hinges, monitors the movement of the bullet and fragments, while braking them. In addition, the hinge fastening and high rigidity of the substrate in the hinge zone allow the substrate to provide good conditions for delamination (in the case of layered execution) and more complete realization of the strength (deformation) properties of each substrate layer separately.

Новый технический результат бронезащитного элемента выражается в уменьшении толщины керамического слоя и подложки бронезащитного элемента, что позволило увеличить его стойкость при обстреле бронебойно-зажигательными 7,62 мм пулями Б32 массой 7,9.10,4 г со скоростью до 750 м/с, и не достигается ни в одном из известных авторам источников. The new technical result of the armor-protecting element is expressed in a decrease in the thickness of the ceramic layer and the substrate of the armor-protecting element, which made it possible to increase its resistance to the firing of armor-piercing incendiary 7.62 mm B32 bullets weighing 7.9.10.4 g at a speed of up to 750 m / s, and is not achieved in none of the sources known to the authors.

На рис. 1 изображен общий вид бронезащитного элемента, на рис. 2 показано взаимодействие пули с бронезащитным элементом, где
1 керамический слой;
2 подложка;
3 шарниры;
4 вязкая на удар оболочка;
5 мягкая подкладка;
6 пуля.In fig. 1 shows a General view of the armored element, in Fig. 2 shows the interaction of a bullet with an armored element, where
1 ceramic layer;
2 substrate;
3 hinges;
4 impact-viscous shell;
5 soft lining;
6 bullet.

Бронезащита имеет следующую конструкцию (рис. 1). Armor protection has the following design (Fig. 1).

Керамический слой 1 выполнен из карбида бора или карбида кремния или корунда, прилегающая к нему подложка 2 может выполняться в нескольких альтернативных вариантах из:
1) композита (типа органопластика на основе ткани ТСВМ (Кевлар) или
2) металла (алюминия, стали), или
3) комбинации вышеперечисленных материалов (градиентная, слоистая подложка).The ceramic layer 1 is made of boron carbide or silicon carbide or corundum, the adjacent substrate 2 can be made in several alternative variants of:
1) a composite (such as organoplastics based on tissue TSVM (Kevlar) or
2) metal (aluminum, steel), or
3) combinations of the above materials (gradient, layered substrate).

По краям керамического слоя установлены шарниры 3. Hinges 3 are installed at the edges of the ceramic layer.

Лицевой керамический слой 1 и подложка 2 заключены в вязкую на удар оболочку 4 из композита или металла (сталь, алюминий) толщиной 0,5.2 мм, образуя при этом компактный блок. The front ceramic layer 1 and the substrate 2 are enclosed in a viscous sheath 4 made of a composite or metal (steel, aluminum) 0.5.2 mm thick, thus forming a compact unit.

Бронезащита установлена на мягкую подкладку 5, изготовленную на основе или поролона, или слоев ткани, например ТСВМ, или из комбинации этих материалов. The armor protection is mounted on a soft lining 5 made on the basis of either foam rubber or layers of fabric, for example, TCBM, or from a combination of these materials.

Действие бронезащитного элемента заключается в следующем (рис. 2). При воздействии пули на керамический слой 1 центральная часть подложки 2, имеющая наименьшую жесткость, вовлекается в движение и передает усилия на часть подложки 2 с большей жесткостью в зону расположения шарниров 3. Подложка 2 проворачивается в зоне шарниров 3 и перераспределяет усилия удара на торцевые (боковые) поверхности керамического слоя 1. За счет дополнительных усилий со стороны боковых поверхностей керамики 1 пуля 6 заклинивается, что способствует более эффективному ее разрушению и торможению. Кроме того, за счет бокового ограничения уменьшается (исключается) разгрузка (краевые эффекты) в керамическом слое. При дальнейшем движении пули 6 подложка 2, проворачиваясь на шарнирах 3, отслеживает движение пули 6 и осколков разрушенной керамики 1. При этом происходит их торможение. Соединение керамического слоя 1 и подложки 2 шарнирами 3 и более высокая жесткость подложки 2 в зоне шарниров 3 позволяют по мере продвижения пули вовлекать постепенно все больше участки подложки 2 в движение и тем самым способствовать расслоению подложки 2. При этом происходит более полная реализация деформационных свойств подложки 2 (или ее отдельных слоев). Вязкая на удар оболочка 4 повышает живучесть бронезащитного элемента, предохраняя от разлета отдельные части (куски) элемента при обстреле. Кроме того, снижается при этом и осколочность самого элемента, он сохраняет конструкционную целостность (прочность). Окончательно демпфирование удара и снижение "гидроудара" на тело человека осуществляются мягкой подкладкой 5. The action of the armored element is as follows (Fig. 2). When the bullet acts on the ceramic layer 1, the central part of the substrate 2, which has the lowest rigidity, is involved in the movement and transfers forces to the part of the substrate 2 with greater rigidity to the area of the hinges 3. The substrate 2 is rotated in the zone of the hinges 3 and redistributes the impact forces to the end ones (lateral ) the surface of the ceramic layer 1. Due to additional forces from the side surfaces of the ceramic 1, the bullet 6 is jammed, which contributes to its more effective destruction and braking. In addition, due to lateral restriction, unloading (edge effects) in the ceramic layer is reduced (eliminated). With further movement of the bullet 6, the substrate 2, turning on hinges 3, monitors the movement of the bullet 6 and fragments of the destroyed ceramics 1. In this case, they are decelerated. The connection of the ceramic layer 1 and the substrate 2 with hinges 3 and the higher stiffness of the substrate 2 in the zone of hinges 3 make it possible to gradually attract more and more portions of the substrate 2 into the movement as the bullet moves and thereby facilitate the delamination of the substrate 2. In this case, the deformation properties of the substrate are more fully realized 2 (or its individual layers). Viscous on impact, the shell 4 increases the survivability of the armored element, protecting individual parts (pieces) of the element from shelling from shelling. In addition, the fragmentation of the element itself is reduced, while it retains structural integrity (strength). Finally, shock damping and reduction of "water hammer" on the human body are carried out with a soft lining 5.

Такой бронезащитный элемент не пробивается при поражении бронебойно-зажигательной 7,62 мм пули Б32 массой 7,9.10,4 г со скоростью до 750 м/с. При этом его поверхностная плотность не превышает 40 кг/м², а толщина 15.20 мм.Such an armor-protecting element does not break through when a 7.62 mm B32 bullet-piercing incendiary bullet weighs 7.9.10.4 g at a speed of up to 750 m / s. Moreover, its surface density does not exceed 40 kg / m ² and a thickness of 15.20 mm.

В качестве подтверждения промышленной применимости рассмотрен пример конкретного выполнения бронезащитного элемента:
керамический слой 1 выполнен из карбида бора толщиной 9 мм;
подложка 2 выполнена из слоев органопластика, причем жесткость в зоне шарниров 3 имеет величину 5 • 10⁵ Н/м, а в центральной ее части 1 • 10⁵ Н/м;
керамический слой 1 и подложка 2 соединены между собой шарнирно (поз. 3);
керамический слой 1 и подложка 2 заключены в оболочку 4 из органопластика толщиной 1 мм;
керамический слой 1 и подложка 2, заключенные в оболочку 4, установлены на мягкую подкладку 5 толщиной 6 мм, изготовленную из слоев органоткани типа ТСВМ.As an evidence of industrial applicability, an example of a specific implementation of an armored element is considered:
the ceramic layer 1 is made of boron carbide 9 mm thick;
the substrate 2 is made of layers of organoplastic, and the stiffness in the area of hinges 3 has a value of 5 • 10 ⁵ N / m, and in its central part 1 • 10 ⁵ N / m;
the ceramic layer 1 and the substrate 2 are pivotally interconnected (pos. 3);
the ceramic layer 1 and the substrate 2 are enclosed in a shell 4 of organoplastic 1 mm thick;
the ceramic layer 1 and the substrate 2, enclosed in a shell 4, are mounted on a soft lining 5 with a thickness of 6 mm, made of layers of organ tissue type TSVM.

Толщина бронезащитного элемента без мягкой подкладки 6 составляет 14 мм, с мягкой подкладкой 20 мм. The thickness of the armor plate without soft lining 6 is 14 mm, with a soft lining 20 mm.

Бронезащитный элемент не пробивается при воздействии бронебойно-зажигательной 7,62 мм пули Б32 массой 7,9.10,4 г со скоростью до 750 м/с, поверхностная плотность бронезащитного элемента составляет:
без мягкой подкладки 30 кг/м²;
с мягкой подкладкой 37 кг/м².The armor-protective element does not break through when exposed to an armor-piercing incendiary 7.62 mm B32 bullet weighing 7.9.10.4 g at a speed of up to 750 m / s, the surface density of the armor-protecting element is:
without soft lining 30 kg / m ² ;
with soft lining 37 kg / m ² .

Были изготовлены и испытаны на поражение бронеэлементы по заявляемой конструкции, получены положительные результаты. Armor elements were manufactured and tested for defeat according to the claimed design, and positive results were obtained.

Конструкция бронезащитного элемента позволяет решить поставленную задачу и получить новый технический результат в виде уменьшения массы и толщины элемента с повышенными защитными свойствами при обстреле бронебойно-зажигательными 7,62 мм пулями Б32 массой 7,9.10,4 г со скоростью до 750 м/с. Толщина бронезащитного элемента не более 15.20 мм и поверхностная плотность не более 40 кг/м².The design of the armor-protecting element allows us to solve the problem and obtain a new technical result in the form of reducing the mass and thickness of the element with enhanced protective properties when firing armor-piercing incendiary 7.62 mm B32 bullets weighing 7.9.10.4 g at a speed of up to 750 m / s. The thickness of the armor-protecting element is not more than 15.20 mm and the surface density is not more than 40 kg / m ² .

Claims

1. Armored element containing a ceramic layer mounted on a substrate, characterized in that hinges are installed at the edges of the ceramic layer, and the stiffness of the substrate varies from center to edges: the smallest in the center, the largest in the hinge zone.

2. The element according to claim 1, characterized in that the ceramic layer has residual stresses.

3. The item according to any one of paragraphs. 1, 2, characterized in that the substrate is layered.

4. The item according to any one of paragraphs. 1-3, characterized in that the ceramic layer and the substrate are enclosed in a viscous on impact thin shell.

5. The item according to any one of paragraphs. 1-4, characterized in that the substrate with a ceramic layer is installed on a soft lining.