RU2653917C1

RU2653917C1 - Armour protection

Info

Publication number: RU2653917C1
Application number: RU2017105934A
Authority: RU
Inventors: Владимир Ярославович Шевченко; Валерий Николаевич Соколов; Максим Максимович Сычев; Андрей Евгеньевич Лапшин; Лев Александрович Лебедев; Алексей Андреевич Груздков
Priority date: 2017-02-21
Filing date: 2017-02-21
Publication date: 2018-05-15

Abstract

FIELD: weapons and ammunition.

SUBSTANCE: invention relates to means of protection against armor piercing bullets and projectiles, in particular to composite armor used for this purpose. Armor protection in the form of a set of armored plates, each of which includes a metallic, polymeric or composite substrate and a bonded layer of ceramic material with voids filled with a polymer, encased in a polymer or composite material. Layer of ceramic material with voids is made with the topology of a three times periodic surface of minimum energy. Layer of ceramic material with voids can be made with the topology of several different from each other three times periodic surfaces of minimal energy.

EFFECT: increase in protection is achieved without increasing the mass and dimensions.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к средствам зашиты от бронебойных пуль и снарядов, в частности, к используемым для этих целей композитным броням, и может быть использовано для защиты людей, транспортных средств, воздушных и морских судов и т.д.The invention relates to means of protection against armor-piercing bullets and shells, in particular, to composite armors used for these purposes, and can be used to protect people, vehicles, aircraft and ships, etc.

В течение многих лет для защиты человека и техники использовали металлическую броню из специальных броневых сталей. Эта броня была эффективна для защиты от пуль и снарядов с «мягким» сердечником, выполненным из свинца, медных сплавов или не легированных неупрочненных сталей. Однако после создания и внедрения бронебойных пуль и снарядов с сердечником из упрочненных сталей или специальных твердых материалов эта броня стала неэффективной.For many years, to protect humans and equipment used metal armor from special armor steels. This armor was effective in protecting against bullets and soft-core shells made of lead, copper alloys, or non-alloy unreinforced steels. However, after the creation and implementation of armor-piercing bullets and shells with a core of hardened steel or special solid materials, this armor became ineffective.

Это обстоятельство стало причиной разработки новых типов конструкции брони, в частности, композитной брони.This circumstance has led to the development of new types of armor designs, in particular, composite armor.

Для оценки новизны заявленного решения рассмотрим ряд известных технических средств аналогичного назначения, характеризуемых совокупностью сходных с заявленным устройством признаков.To assess the novelty of the claimed solution, we consider a number of well-known technical devices of a similar purpose, characterized by a combination of features similar to the claimed device.

Известны различные виды композитной брони, например слоистая броня, по патенту США №6497966, состоящая из наружного слоя, выполненного из керамики или сплава с твердостью выше 27HRC, промежуточного слоя из алюминиевого или другого сплава с твердостью менее 27HRC и тыльного слоя из полимерного композиционного материала, причем все три слоя скреплены между собой полимерным намоточным композиционным материалом. Недостатками этого технического решения являются большой вес, низкая эксплуатационная надежность и малая живучесть конструкции.Various types of composite armor are known, for example, layered armor, according to US Pat. moreover, all three layers are bonded together by a polymer winding composite material. The disadvantages of this technical solution are the large weight, low operational reliability and low survivability of the structure.

Известна композитная броня по патенту США №5972819, которая содержит дробяще-отклоняющий и задерживающий слои. Дробяще-отклоняющий слой состоит из отдельных корундовых элементов, выполненных в виде цилиндров с полыми торцами и соединенных в единую панель.Known composite armor according to US patent No. 59972819, which contains a crushing-deflecting and delaying layers. The shot-deflecting layer consists of individual corundum elements made in the form of cylinders with hollow ends and connected in a single panel.

Оси этих элементов расположены по нормали к наружной поверхности брони. Удерживающий слой выполнен из конструкционного материала на основе (Kevlar) или полиэтиленовых волокон (Dyneema) и полимерной матрицы, обеспечивает эффективное поглощение и рассеивание энергии пули. Недостатком этого технического решения его является то, что все положительные свойства брони реализуются лишь при использовании в качестве задерживающего слоя дорогих волокнистых материалов (Dyneema, Kevlar).The axes of these elements are normal to the outer surface of the armor. The holding layer is made of a structural material based on (Kevlar) or polyethylene fibers (Dyneema) and a polymer matrix, which provides effective absorption and dispersion of bullet energy. The disadvantage of this technical solution is that all the positive properties of the armor are realized only when expensive fibrous materials (Dyneema, Kevlar) are used as a retention layer.

Известна композитная броня по патенту РФ №2329455, содержащая дробяще-отклоняющий слой, состоящий из отдельных корундовых элементов, выполненных в виде цилиндров с одним или двумя выпуклыми торцами, соединенных в единую панель связующим на основе полимеров и расположенных своими осями по нормали к наружной поверхности брони, и задерживающий слой, отличающаяся тем, что задерживающий слой выполнен из алюминиевого сплава или стали, дробяще-отклоняющий и задерживающий слои размещены с зазором более 1 мм или между дробяще-отклоняющим и задерживающим слоями размещен слой материала с модулем упругости при сжатии менее 40 ГПа.Known composite armor according to the patent of the Russian Federation No. 2239455, containing a crushing-deflecting layer consisting of individual corundum elements made in the form of cylinders with one or two convex ends, connected to a single panel by a binder based on polymers and arranged by their axes normal to the outer surface of the armor and a retaining layer, characterized in that the retaining layer is made of aluminum alloy or steel, the crushing-deflecting and retaining layers are placed with a gap of more than 1 mm or between the crushing-deflecting and delaying ayuschim layers is a layer of material with a modulus of elasticity under compression of less than 40 GPa.

Недостатками данного технического решения, принятого нами в качестве прототипа, является большой вес и малая живучесть композитной брони.The disadvantages of this technical solution, adopted by us as a prototype, is the large weight and low survivability of composite armor.

Задача изобретения состоит в создании нового типа бронезащиты на основе более высокотехнологичных материалов и инновационных методов, позволяющих без увеличения массы и габаритов бронезащиты повышать ее защитную функцию.The objective of the invention is to create a new type of armor protection based on more high-tech materials and innovative methods that allow without increasing the mass and dimensions of armor protection to increase its protective function.

Сущность заявленного технического решения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для достижения указанного выше обеспечиваемого изобретением технического результата.The essence of the claimed technical solution is expressed in the following set of essential features, sufficient to achieve the above technical result provided by the invention.

Согласно изобретению бронезащита в виде совокупности бронеплиток, каждая из которых включает металлическую, полимерную или композитную подложку и прикрепленный к ней слой керамического материала с пустотами, заполненными полимером, помещенные в оболочку из полимерного или композитного материала, характеризуется тем, что керамический материал выполнен с топологией трижды периодической поверхности минимальной энергии.According to the invention, armor protection in the form of a combination of armor plates, each of which includes a metal, polymer or composite substrate and a layer of ceramic material attached to it with voids filled with polymer, placed in a shell of a polymer or composite material, is characterized in that the ceramic material is made with a topology of three times periodic surface of minimum energy.

Кроме того, заявленное техническое решение характеризуется наличием ряда дополнительных факультативных признаков, а именно:In addition, the claimed technical solution is characterized by the presence of a number of additional optional features, namely:

- керамический материал может быть выполнен с топологиями нескольких различных между собой трижды периодических поверхностей минимальной энергии.- ceramic material can be made with the topologies of several different three times periodic surfaces of minimum energy.

Технический результат, получаемый при реализации заявленных существенных признаков, состоит в повышении защитных характеристик бронезащиты. Повышение баллистической стойкости бронезащиты обеспечивается за счет использования взамен широко известных бронеплиток относительно простых форм (плоские и радиусные плитки, цилиндры) керамического материала с топологией трижды периодических поверхностей минимальной энергии (ТППМЭ).The technical result obtained by the implementation of the claimed essential features is to increase the protective characteristics of armor protection. The increase in ballistic resistance of armor protection is ensured by the use of widely known armor plates of relatively simple forms (flat and radius tiles, cylinders) of ceramic material with the topology of three times periodic surfaces of minimum energy (TPPME).

Трижды периодические поверхности с минимальной энергией являются минимальными поверхностями, поскольку основаны на принципе создания наименьшей площади с данной замкнутой кривой в виде границы (пример - мыльная пленка, покрывающая проволочную петлю). Минимальные поверхности являются поверхностями с нулевой средней кривизной. Все эти поверхности являются метрически идентичными, непрерывная деформация представляет собой изгибание поверхности. Таким образом, энергия нагружения распределяется в такой системе наиболее оптимальным путем.Thrice-periodic surfaces with minimal energy are minimal surfaces, because they are based on the principle of creating the smallest area with a given closed curve in the form of a boundary (an example is a soap film covering a wire loop). Minimum surfaces are surfaces with zero mean curvature. All these surfaces are metrically identical, continuous deformation is a bending of the surface. Thus, the loading energy is distributed in such a system in the most optimal way.

Такой подход обеспечивает увеличение диссипации энергии нагружения (пуля, кумулятивный снаряд и т.д.) по сравнению с традиционными конструкциями. Конструкция элементов должна обеспечивать отклонение от траектории, дробление, вращение (для осколков). Геометрия таких элементов основывается на топологии ТППМЭ. Пустоты в структуре будут заполнены материалом с существенно отличающимся упругим импедансом, например, полимером или композитом. Такая структура представляет собой композит из двух взаимопроникающих фаз, выполненных из материалов с существенно отличающимся упругим импедансом.This approach provides an increase in the dissipation of loading energy (bullet, shaped-charge shell, etc.) in comparison with traditional designs. The design of the elements should provide a deviation from the trajectory, crushing, rotation (for fragments). The geometry of such elements is based on the topology of TPPME. The voids in the structure will be filled with a material with a significantly different elastic impedance, for example, polymer or composite. Such a structure is a composite of two interpenetrating phases made of materials with significantly different elastic impedances.

Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежом, на котором на фиг. 1 представлен вариант керамического слоя с топологией ТППМЭ, а именно, алмаз Шварца, на фиг. 2 - вариант керамического слоя с топологией ТППМЭ, а именно, примитив Шварца, пустоты в котором заполнены полимером, на фиг. 3 - поперечный разрез по заявленной бронезащите.The essence of the claimed technical solution is illustrated by the drawing, on which in FIG. 1 shows a variant of the ceramic layer with the topology of TPPME, namely, Schwarz diamond, in FIG. 2 is a variant of a ceramic layer with the topology of TPPME, namely, the Schwartz primitive, in which voids are filled with polymer, in FIG. 3 - cross section according to the declared armor protection.

Бронезащита включает совокупность бронеплиток, каждая из которых содержит подложку 1, изготовленную из стали, цветных сплавов, полимерного или композиционного материала, и играющую роль задерживающего слоя. Бронеплитка 2, выполненная с топологией ТППМЭ, крепится к подложке 1 слоем клея 3. Пустоты в плитке заполнены материалом 4 с существенно отличающимся упругим импедансом, например полимером или композитом. Полимерный или композиционный материал 5, которым обернута сборка, предотвращает разлет осколков.Armor protection includes a set of armor plates, each of which contains a substrate 1 made of steel, non-ferrous alloys, a polymer or composite material, and playing the role of a retaining layer. The armor plate 2, made with the TPPME topology, is attached to the substrate 1 by a layer of glue 3. The voids in the tile are filled with material 4 with a significantly different elastic impedance, for example, polymer or composite. The polymer or composite material 5 with which the assembly is wrapped prevents fragments from flying apart.

Бронеплитки 2 полимерным или иным клеем 3 крепится к подложке 1, изготовленной из стали, цветных сплавов, полимерного или композитного материала. Такая бронеплитка выполняет роль дробяще-отклоняющего слоя. Подложка 1 играет роль задерживающего слоя.Armor plates 2 with polymer or other adhesive 3 are attached to a substrate 1 made of steel, non-ferrous alloys, polymer or composite material. Such an armor plate acts as a crushing-deflecting layer. The substrate 1 plays the role of a retaining layer.

При контакте проникающего тела (пули, снаряда) с бронеплиткой происходит его деформация и разрушение, а также изменение траектории движения. При этом форма поверхности на основе топологии ТППМЭ обеспечивает более эффективное изменение траектории движения тела и его осколков (отклонение), а также более эффективную диссипацию энергии нагружения.When a penetrating body (bullet, shell) comes in contact with an armored plate, it deforms and collapses, as well as a change in the trajectory of movement. Moreover, the surface shape based on the TPMPM topology provides a more effective change in the trajectory of the body and its fragments (deviation), as well as a more efficient dissipation of the loading energy.

Максимальная диссипация энергии нагружения обусловлена ТППМЭ топологией керамической матрицы, которая приводит к максимальному увеличению доли тангенциальной составляющей силы нагружения (пуля, кумулятивный снаряд и т.д.) относительно нормальной составляющей. Заполнение пустот в матрице материалом с существенно отличающимся упругим механическим импедансом приводит к увеличению трещиностойкости композита.The maximum dissipation of the loading energy is due to the TPME topology of the ceramic matrix, which leads to a maximum increase in the fraction of the tangential component of the loading force (bullet, shaped-charge projectile, etc.) relative to the normal component. Filling the voids in the matrix with a material with a significantly different elastic mechanical impedance leads to an increase in the crack resistance of the composite.

Заявленная бронезащита может быть реализована с использованием известных материалов и технологий и обеспечивает защиту объекта в широком диапазоне скоростей нагружения от 0,5-1 км/с до 8-10 км/с.The claimed armor protection can be implemented using well-known materials and technologies and provides protection of the facility in a wide range of loading speeds from 0.5-1 km / s to 8-10 km / s.

Claims

1. Armor protection in the form of a set of armor plates, each of which includes a metal, polymer or composite substrate and a layer of ceramic material bonded with it with voids filled with polymer, placed in a shell of polymer or composite material, characterized in that the ceramic material with voids is made with the topology of a triple periodic surface of minimum energy.

2. Armor protection according to claim 1, characterized in that the ceramic material with voids is made with the topology of several different triple-periodic surfaces of minimum energy.