RU2476809C1

RU2476809C1 - Volume-combined armour

Info

Publication number: RU2476809C1
Application number: RU2011132535/12A
Authority: RU
Inventors: Михаил Владимирович Сильников; Вадим Аркадьевич Рябов; Елена Михайловна Арутюнова; Никита Михайлович Сильников
Original assignee: Закрытое акционерное общество "Научно-производственное объединение специальных материалов"
Priority date: 2011-08-02
Filing date: 2011-08-02
Publication date: 2013-02-27

Abstract

FIELD: weapons and ammunition.

SUBSTANCE: volume-combined armour comprises a highly rigid layer from tightly packed ceramic cylinders with convex ends connected by a binder into a monolith and a high-strength power-intensive rear layer, at the same time axes of ceramic elements of the frontal layer are arranged at the angle of 60-85° relative to the armour plane.

EFFECT: improved reliability and efficiency of armour protection.

1 cl, 5 dwg

Description

С появлением высокоэффективных поражающих средств и повышением требований к бронезащите ресурс традиционных металлических броневых материалов оказался исчерпанным, что привело к созданию многослойной комбинированной брони.With the advent of highly effective striking weapons and increased requirements for armor protection, the resource of traditional metal armor materials was exhausted, which led to the creation of multilayer combined armor.

Идеология комбинированной защиты заключается в сочетании нескольких слоев разнородных материалов с приоритетными свойствами, включающем фронтальный слой из особотвердых материалов и высокопрочный энергоемкий тыльный слой.The ideology of combined protection is the combination of several layers of dissimilar materials with priority properties, including a front layer of extra hard materials and a high-strength, energy-intensive back layer.

В качестве материалов фронтального слоя используют освоенную в промышленном производстве керамику высшей категории твердости: корунд, карбиды кремния и бора. Задача керамики сводится к нарушению целостности (скалывание, дробление, частичное или полное разрушение) закаленного сердечника вследствие напряжений, возникающих при высокоскоростном взаимодействии хрупких, высокотвердых материалов.As materials of the front layer, ceramics of the highest hardness category mastered in industrial production are used: corundum, silicon carbides and boron. The task of ceramics is to violate the integrity (chipping, crushing, partial or complete destruction) of the hardened core due to stresses arising from the high-speed interaction of brittle, high-hard materials.

Тыльный удерживающий слой предназначен для погашения кинетической энергии и блокировки осколков, образующихся в результате ударного взаимодействия с керамикой. В качестве тыловых материалов широкое распространение получили металлическая броня и композитные бронематериалы на основе клееных или прессованных высокомодульных арамидных (Kevlar, Twaron, Famaston) или полиэтиленовых (Dyneema) волокон.The back retaining layer is designed to repay kinetic energy and block fragments resulting from impact interaction with ceramics. As the rear materials, metal armor and composite armored materials based on glued or pressed high-modular aramid (Kevlar, Twaron, Famaston) or polyethylene (Dyneema) fibers were widely used.

Известны технические решения (патент №2180425 и авт.свид. НПО СМ), где комбинированная броня содержит высокопрочный лицевой слой из керамических плиток и энергоемкую подложку из металлических или композитных материалов. Броня такого типа получила широкое распространение для защиты поверхностей с простой геометрией: плоских или имеющих фиксированный радиус.Known technical solutions (patent No. 2180425 and autosvid. NPO SM), where the combined armor contains a high-strength front layer of ceramic tiles and an energy-intensive substrate of metal or composite materials. This type of armor is widely used to protect surfaces with a simple geometry: flat or having a fixed radius.

Однако, если защищаемая поверхность имеет сложный геометрический рельеф, что имеет место на практике применительно к реальным объектам защищаемой военной техники, то керамические плитки не смогут обеспечивать акустический контакт с подложкой, что существенно снижает эффективность бронезащиты, вследствие концентрации и накопления разрушающей энергии в лицевом керамическом слое без частичной передачи ее в подложку.However, if the protected surface has a complex geometric relief, which is the case in practice with respect to the real objects of the protected military equipment, then ceramic tiles will not be able to provide acoustic contact with the substrate, which significantly reduces the effectiveness of armor protection, due to the concentration and accumulation of destructive energy in the front ceramic layer without partial transfer of it to the substrate.

Поэтому для облицовки сложных геометрических поверхностей используют малоразмерные керамические элементы, как правило в виде тел вращения, наибольшее распространение среди которых получили элементы в виде цилиндров. При этом эффективность работы керамики повышают за счет использования выпуклых покатых торцов с одной или обеих сторон цилиндров. В этом случае при встрече поражающего средства с покатыми поверхностями керамики действует механизм увода или обивания пули с траектории полета, существенно затрудняющий работу по преодолению керамической преграды.Therefore, for facing complex geometric surfaces, small-sized ceramic elements are used, usually in the form of bodies of revolution, the most common among which are elements in the form of cylinders. At the same time, the efficiency of ceramics is increased by using convex sloping ends on one or both sides of the cylinders. In this case, when the striking agent meets the sloping surfaces of the ceramics, the mechanism for removing or upholding the bullet from the flight path operates, which significantly complicates the work to overcome the ceramic barrier.

Защиту такого типа с учетом характера ее взаимодействия с поражающими элементами принято называть «дисперсионной» керамической броней. Использование в этом случае малоразмерной керамики обеспечивает, наряду с вышеуказанным, также более высокий по сравнению с плиточным вариантом уровень живучести за счет уменьшения зоны поражения и весьма важную для практики частичную локальную ремонтопригодность.Protection of this type, taking into account the nature of its interaction with the striking elements, is called “dispersion” ceramic armor. The use of small-sized ceramics in this case provides, along with the above, also a higher survivability level compared to the tiled version due to the reduction of the affected area and partial local maintainability, which is very important for practice.

Из известных типов многослойной брони близкими аналогами к заявляемому изобретению являются технические решения, изложенные в патентах США №5972819, №6112635, №6203908 и патенте РФ №2329455. Общим существенным признаком аналогов является использование во фронтальном слое отдельных плотноупакованных керамических цилиндров с выпуклыми торцами, соединенных связующим в монолит. При этом оси керамических цилиндров расположены по нормали к плоскости последующих слоев.Of the known types of multilayer armor close analogues to the claimed invention are the technical solutions set forth in US patents No. 59972819, No. 6112635, No. 6203908 and RF patent No. 23239455. A common essential feature of analogues is the use in the front layer of individual close-packed ceramic cylinders with convex ends connected by a binder in a monolith. The axis of the ceramic cylinders are normal to the plane of the subsequent layers.

Вместе с тем из анализа схемы упаковки керамических цилиндров, представленной на рис.1, следует, что пространство, образующееся при сопряжении соседних элементов («стык»), является наиболее уязвимым с точки зрения пробития. При точном попадании в стык или вблизи его, преодоление керамической преграды сводится к скалыванию кромок соседних цилиндров, при этом объем разрушаемого керамического материала, а следовательно, и затрачиваемая на это энергия невелики. Количественные характеристики, рассчитанные для случая использования патрона Б32 винтовки СВД и цилиндров диаметром 14 мм следующие:At the same time, from the analysis of the packing scheme of ceramic cylinders shown in Fig. 1, it follows that the space formed by the conjugation of adjacent elements (“joint”) is the most vulnerable from the point of view of penetration. In the event of an exact hit at or near the joint, overcoming a ceramic barrier reduces to chipping the edges of adjacent cylinders, while the volume of destroyed ceramic material, and therefore the energy spent on it, is small. The quantitative characteristics calculated for the case of using the B32 cartridge of the SVD rifle and cylinders with a diameter of 14 mm are as follows:

- площадь сердечника диаметром 5,8 мм - 26,4 мм²;- the area of the core with a diameter of 5.8 mm - 26.4 mm ² ;

- площадь стыкового пространства -7,7 мм² (~30% от площади сердечника);- the area of the butt space -7.7 mm ² (~ 30% of the core area);

- площадь разрушаемых керамических сегментов 3×6,24 мм² (~70% от площади сечения сердечника).- the area of destroyed ceramic segments 3 × 6.24 mm ² (~ 70% of the cross-sectional area of the core).

В этом случае механизм сбивания пули с траектории не действует, более того, свободное от керамики стыковое пространство работает как направляющая, стабилизирующая сердечник в полете.In this case, the mechanism for knocking the bullet off the trajectory does not work, moreover, the joint space free of ceramics acts as a guide stabilizing the core in flight.

В итоге низкий уровень взаимодействия с керамикой позволяет полностью или частично сохранить целостность, а следовательно, и высокую пробивную способность сердечника. Вышеизложенное обусловливает нестабильность защитных характеристик рассматриваемых структур, а для того, чтобы гарантированно исключить пробитие при попадании пули в стык цилиндров, потребуется чрезмерное увеличение толщины отдельных слоев, а следовательно, и всей защитной конструкции в целом.As a result, the low level of interaction with ceramics allows you to fully or partially preserve the integrity, and hence the high breakdown ability of the core. The foregoing causes instability of the protective characteristics of the structures under consideration, and in order to guarantee that puncture does not occur when a bullet enters the joint of the cylinders, an excessive increase in the thickness of individual layers, and therefore of the entire protective structure as a whole, will be required.

Устранение недостатков, выявленных в конструкциях аналогов, в качестве наиболее близкого из которых выбран патент США №5972819, достигается в предложенном изобретении тем, что фронтальный слой выполнен из керамических цилиндров, расположенных под углом 60-85° к плоскости тылового слоя.The elimination of the disadvantages identified in the designs of analogues, the closest of which is selected US patent No. 59972819, is achieved in the proposed invention by the fact that the front layer is made of ceramic cylinders located at an angle of 60-85 ° to the plane of the rear layer.

Отклонение осей цилиндров от нормали существенно затрудняет задачу по преодолению сердечником керамической преграды. Так, из анализа схемы упаковки, представленной на рис.2, следует, что при угле наклона 75° площадь стыкового пространства в плане уменьшается более чем в 4 раза (от 7,7 мм² до 1,8 мм²). В этом случае для прямого проникновения в стык необходимо изменение траектории пули, что качественно снижает пробивающую способность сердечника. При ударе же по прямой объем разрушаемого керамического материала становится значительным, при этом боковые поверхности цилиндров приобретают, наряду с торцами, способность работать на сбивание и увод с траектории пули, становясь дополнительным препятствием на пути сердечника.Deviation of the cylinder axes from the normal significantly complicates the task of overcoming the ceramic barrier by the core. So, from the analysis of the packing scheme shown in Fig. 2, it follows that at an angle of inclination of 75 °, the area of the butt space in the plan decreases by more than 4 times (from 7.7 mm ² to 1.8 mm ² ). In this case, for direct penetration into the joint, a change in the trajectory of the bullet is necessary, which qualitatively reduces the piercing ability of the core. When striking a straight line, the volume of destructible ceramic material becomes significant, while the lateral surfaces of the cylinders acquire, along with the ends, the ability to work to knock down and withdraw from the bullet path, becoming an additional obstacle to the core.

В случае если угол наклона керамических цилиндров по отношению к плоскости брони будет более 85°, положительный эффект оказывается незначительным. Результаты проведенных экспериментов показали, что при углах наклона более 85° имеют место случаи пробития композиции с характером поражения аналогичным наблюдавшемуся ранее при испытаниях композиции наиболее близкого аналога.If the angle of inclination of the ceramic cylinders relative to the plane of the armor is more than 85 °, the positive effect is negligible. The results of the experiments showed that at tilt angles of more than 85 ° there are cases of penetration of the composition with the nature of the lesion similar to that observed previously when testing the composition of the closest analogue.

При углах наклона менее 60° стабильность броневых характеристик обеспечивается неполным образом. Случаи пробития редки, но все же имеют место. При этом поражение тыльного слоя характеризуется глубокими лунками углублений зачастую без пробития, но с надрывами и трещинами на выпучинах с тыла. Снижение бронестойкости при больших углах наклона осей следует связать с локальным уменьшением толщины керамического слоя (проекция m-n, рис.3) за счет смещения торцов соседних элементов при наклоне (с 3 мм при 15° наклона, m-n=7 мм до 7 мм при 30° наклона, m-n=4 мм).At angles of inclination less than 60 °, the stability of the armor characteristics is not fully ensured. Cases of penetration are rare, but still take place. In this case, damage to the back layer is characterized by deep dimples of the recesses, often without penetration, but with tears and cracks in the bulges from the rear. The decrease in armor resistance at large angles of inclination of the axes should be associated with a local decrease in the thickness of the ceramic layer (projection mn, Fig. 3) due to the displacement of the ends of adjacent elements when tilted (from 3 mm at 15 ° inclination, mn = 7 mm to 7 mm at 30 ° inclination, mn = 4 mm).

Для обеспечения более полного акустического контакта между высокотвердым, но хрупким лицевым слоем и энергоемким тыльным слоем, а также для повышения технологичности при изготовлении и точности расположения керамических цилиндров, тыльный слой может быть выполнен с рифлением, обеспечивающим фиксацию требуемого геометрического расположения керамических элементов (рис.3).In order to provide a more complete acoustic contact between a high-hard but brittle face layer and an energy-intensive back layer, as well as to improve manufacturability in the manufacture and accuracy of ceramic cylinders, the back layer can be made with corrugation, which ensures fixation of the required geometric arrangement of ceramic elements (Fig. 3 )

Эффективность предложенного в изобретении технического решения подтверждена результатами пулевых испытаний. Изготовленный опытный образец (рис.4) включал в себя:The effectiveness of the technical solution proposed in the invention is confirmed by the results of bullet tests. The manufactured prototype (Fig. 4) included:

- тыльный слой 150×200×3 мм из закаленной стали марки СПС-43 с твердостью 56-58 HRC;- back layer 150 × 200 × 3 mm of hardened steel grade SPS-43 with a hardness of 56-58 HRC;

- фронтальный слой из корундовых цилиндров с выпуклым торцом маркиАЛ1 диаметром 14 мм и высотой 9,5 мм, соединенных в монолит клеевым связующим на основе полиуретана. Угол наклона цилиндров - 75° к плоскости тыльного слоя.- the front layer of corundum cylinders with a convex end face of grade AL1 with a diameter of 14 mm and a height of 9.5 mm, connected in a monolith by an adhesive binder based on polyurethane. The angle of the cylinders is 75 ° to the plane of the back layer.

Слои соединены между собой тем же связующим. Обстрел проводился бронебойно- зажигательными пулями Б-32 из винтовки СВД с расстояния 10 м испытания проводились по стандартным методикам в аттестованном центре НПО СМ г.СПб.The layers are interconnected by the same binder. The shelling was carried out with B-32 armor-piercing incendiary bullets from the SVD rifle from a distance of 10 m, tests were carried out according to standard methods in a certified center of NPO SM in St. Petersburg.

Из анализа состояния тыльного слоя после обстрела, представленного на рис.5, следует, что предложенная композиция обладает высоким потенциалом бронестойкости. Так, в районе отпечатков от выстрелов, внедрения в стальной тыл практически не наблюдается, а лунки углублений не превышают 2-3мм.From the analysis of the condition of the back layer after the shelling, shown in Fig. 5, it follows that the proposed composition has a high potential for armor resistance. So, in the area of prints from shots, penetration into the steel rear is practically not observed, and the dimple holes do not exceed 2-3 mm.

Уровень бронестойкости комбинированной брони, выполненной в соответствии с предлагаемым изобретением, превышает наиболее близкий аналог на 10-15%.The level of armor resistance of the combined armor made in accordance with the invention exceeds the closest analogue by 10-15%.

Заявленное техническое решение по структуре многослойной брони является новым, так как совокупность отличительных признаков изобретения, в том числе и в частных случаях, неизвестна из литературных данных и практического опыта работ в этой области.The claimed technical solution for the structure of multilayer armor is new, since the totality of the distinguishing features of the invention, including in particular cases, is unknown from the literature and practical experience in this area.

Решение имеет изобретательский уровень, так как предложенное не следует явным образом для специалиста из анализа отечественного и зарубежного уровня техники.The solution has an inventive step, since the proposed one should not be explicitly for a specialist from the analysis of domestic and foreign technology.

Заявленное решение промышленно применимо для защиты техники от бронебойных пуль, что следует из результатов проведенных натурных испытаний образцов.The claimed solution is industrially applicable to protect equipment from armor-piercing bullets, which follows from the results of field tests of samples.

При практическом внедрении изобретения следует иметь в виду, что направление отклонения осей керамики от нормали может быть изменено для различно ориентированных поверхностей и панелей техники и выбираться с учетом приоритетного направления обстрела защищаемой поверхности. Это обстоятельство позволяет существенно расширить диапазон вариантов использования изобретения.In the practical implementation of the invention, it should be borne in mind that the direction of deviation of the ceramics axes from the normal can be changed for differently oriented surfaces and panels of equipment and selected taking into account the priority direction of shelling of the protected surface. This fact allows you to significantly expand the range of options for using the invention.

Claims

1. Volume-combined armor containing a high-hard layer of tightly packed ceramic cylinders with convex ends connected by a binder in a monolith and a high-strength energy-intensive back layer, characterized in that the axes of the ceramic elements of the front layer are located at an angle of 60-85 ° relative to the plane of the armor .

2. Armor according to claim 1, characterized in that the back layer is made with corrugation, which ensures the fixation of the required geometric position of the ceramic elements.