Керамический элемент для композитной брони

Авторы патента:

Предложенное решение относится к средствам защиты техники от проникающей энергии снарядов, осколков и пуль, а также к индивидуальным средствам защиты людей. Керамический элемент для композитной брони, имеет форму цилиндра с выпуклыми торцами, причем величина диаметра D существенно меньше его высоты H. Отношение высоты цилиндра к его диаметру H/D может находиться в интервале от 2 до 4. Верхний и нижний торцы керамического элемента имеют сферическую форму различной степени выпуклости, а отношение их радиусов R1:R2 находится в диапазоне от 0,4 до 0,7. Предлагаемый керамический элемент, использованный в композитной броне, позволяет снизить ее вес, габариты и стоимость, а также осуществлять отклонение или разрушение различных типов пуль и снарядов. 1 н.з. и 2 з.п. ф-лы.

Предложенное решение относится к средствам защиты техники от проникающей энергии снарядов, осколков и пуль, а также к индивидуальным средствам защиты людей.

Известны броневые панели, в которых для поглощения и рассеивания кинетической энергии поражающих частиц используется слой из керамических цилиндрических элементов с выпуклыми торцевыми поверхностями, закрепленных в слое упругого материала. (Патенты US 5763813, 5972819, 6203908 и др.)

Керамические элементы, используемые в броневых плитах, выполняются обычно из алюмооксидной керамики, а также из других высокоплотных керамических материалов. Форма и материал керамических элементов совершенствуются таким образом, чтобы получить более подвижный защитный слой керамических элементов, позволяющий лучше рассеивать энергию проникающих частиц.

Известен броневой элемент, использующий укрепленные в гнездах керамические тела качения, в котором обеспечивается отклонение или разрушение снарядов различного типа. (Патент RU 2169335. МПК F41H 5/04). Броневой элемент содержит плиту, лицевая сторона которой выполнена с гнездами, профиль которых соответствует телам качения, имеющими глубину, близкую к их радиусу. Тела качения свободно посажены в гнездах, с возможностью их вращения вокруг своей оси. Броневая плита содержит электрический изолирующий материал, разделяющий тела качения, а соседние тела качения подключены к источнику электроэнергии.

При попадании снаряда тело качения, принявшее удар, противодействует снаряду как своей прочностью и кривизной поверхности, вызывающей рикошет поражающих частиц, так и проворотом вокруг своей оси, вызывая отклонение снаряда от центра, что способствует перераспределению ударной нагрузки.

Основными недостатками такой брони являются сложность и громоздкость конструкции трудность в ее реализации, связанная с тем, что броневая плита содержит электрический изолирующий материал, разделяющий тела качения, а соседние тела качения подключены к источнику электроэнергии. Все это приводит к высокой трудоемкости изготовления и увеличению веса изделия, что не приемлемо для ряда средств защиты.

Известна активная броня, состоящая из множества подвижных броневых элементов, связанных разрушаемым соединительным элементом с неподвижной броневой плитой. (Патент US 4545286).

Подвижные элементы скреплены между собой соединительными составами. Однако наличие разрушаемого соединительного элемента усложняет конструкцию и снижает ее эффективность.

Известна полиэлементная броня, содержащая множество подвижных броневых элементов, установленных в сферические углубления в неподвижной броневой плите. Промежутки между элементами могут выполняться в виде выступающих многогранников. (Патент RU 2045736, МПК F41H 5/04).

Подвижные элементы брони имеют асимметричную форму. Верхняя часть элементов образована сферической поверхностью, сопряженной со сферической поверхностью нижней части. В каждом подвижном элементе выполнены полости, заполняемые самовоспламеняющимся составом.

С помощью данного полиэлементного устройства обеспечивается снижение проникающей энергии заряда при попадании его в один из подвижных броневых элементов, размещенных в углублениях броневой плиты. За счет сферических поверхностей обеспечиваются условия для рикошета проникающих элементов, в результате чего достигается дестабилизация направленной проникающей энергии частиц. Подвижные элементы брони могут быть выполнены многослойными, в этом случае на броневой плите размещены в несколько слоев разнокалиберные элементы, скрепленные соединительными элементами.

Поверхность в промежутках в виде выступающих многогранников обеспечивает условия для рикошетирования снаряда при попадании в промежуточное пространство, что также повышает эффективность брони.

Недостатками данного полиэлементного устройства являются, во-первых, то, что используются самовоспламеняющиеся составы и, во-вторых, то, что приведена лишь общая конструкция бронеплиты, не указаны форма и материалы, обеспечивающие большую эффективность подвижных элементов, из которых состоит броня.

Известным является элемент керамической брони, с плоской нижней и выпуклой верхней поверхностью, имеющий шестигранную форму (Патент RU 2378601, МПК F41H 5/04).

Элемент шестигранной формы включает зуб на каждой стороне. Когда керамический элемент поворачивается на 60 градусов по оси, положение зубьев соответствует исходному. Шестигранная симметрия означает, что элемент может быть смонтирован в матрицу при минимальном усилии, требующейся для правильной ориентации при составлении мозаики из множества элементов. Форма элементов с зубьями имеет преимущество в том, что упрощается сборка керамических элементов. Зубья обеспечивают пространство для контролируемого однородного соединительного слоя между элементами, эквивалентного ширине зуба. Из-за передачи энергии между элементами снижается вероятность повреждения керамических элементов.

Однако, для того, чтобы связующий материал равномерно растекся и равномерно распределился в скомплектованной композиции из бронеэлементов, имеется зазор, который формируется за счет зубьев, имеющихся на элементах. Находящиеся, благодаря наличию зубьев, в плотном контакте соприкасающиеся элементы позволяют энергии в форме ударной волны распространяться через смежные элементы. То есть энергия от снаряда передается сначала на элемент в панели и затем передается на соприкасающиеся с ним соседние элементы, которые в результате плотного контакта разрушаются при ударе снарядом или отсоединяются от опорной плиты и, тем самым, снижают защиту, если панель вновь подвергается удару вблизи от этого места.

Известна также двухслойная композитная броня (Патент RU 2329455, МПК F41H 5/04).

Первый слой брони состоит из корундовых цилиндров, с одним или двумя выпуклыми торцами. Корундовые элементы связаны полиуретановым полимером. Торцы керамических элементов имеют выпуклую форму, а их оси расположены по нормали к наружной поверхности брони. Первый слой является дробяще-отклоняющим. Второй слой является задерживающим и выполнен из алюминиевой пластины или броневой стали. В такой конструкции сохраняются достоинства полиэлементной динамической брони, одновременно со снижением стоимости.

Однако, панель, состоящая из 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 имеет тот недостаток, что между элементами может быть относительно крупная пустота, не заполняемая связующим материалом или керамикой. Эта пустота может позволить снаряду проникнуть в броню в пространство между элементами, что снижает броневые характеристики.

Прототипом или наиболее близким к предложенному устройству является композитная бронеплита с керамическими телами, состоящая из одного внутреннего слоя элементов, образующих множество разделенных рядов и столбцов, скрепленных и удерживаемых упругим материалом (Патент EP 1522817, МПК F41H 5/04).

Композитная броня содержит в слое упругого материала множество керамических броневых элементов, каждый из которых имеет цилиндрическую форму. Большинство элементов находятся в прямом взаимодействии с шестью соседними элементами слоя, что обеспечивает общее поперечное ограничение между ними. Торцы элементов выступают из тела элемента и имеют уменьшающееся поперечное сечение. Торец элемента, обращенный в противоположную сторону от главной ударной поверхности, имеет сферическую форму. Высота этого торца составляет менее 15% от диаметра самого элемента. Отношение диаметра элемента к радиусу кривизны данного выпуклого торца D/R лежит в интервале от 0,28:1 до 0,639:1. Большинство элементов обладают хотя бы одним выпуклым торцом, обращенным к главной ударной поверхности пластины. В керамическом элементе могут быть выполнены каналы, с целью уменьшения их удельной плотности, объем которых может составлять до 25% от всего объема керамических элементов.

Недостатком прототипа является то, что для эффективного поглощения и рассеивания энергии пули необходимо, чтобы после ее попадания в корундовый элемент, этот элемент имел большую толщину и возможность хотя бы небольшого осевого перемещения. При этом корундовый элемент разворачивается и приводит в движение соседние элементы. Чем больше соседних элементов приведены в движение, тем меньше остаточная энергия пули и, следовательно, выше баллистическая прочность брони. При этом все положительные свойства такой брони реализуются лишь при использовании в качестве задерживающего слоя очень дорогих алюминиевых, титановых или стальных материалов, а также упругих материалов типа полиуретана с низким модулем упругости при поперечном сжатии, но эти материалы очень дорогие.

Задачей изобретения является создание керамического броневого элемента и композитной брони с его использованием, сохраняющих положительные качества наиболее близкого аналога с одновременным снижением ее веса и стоимости, способных осуществить отклонение или разрушение различных типов пуль и снарядов, и иметь при этом меньшие габариты и вес.

Для решения поставленной задачи предлагается керамический элемент, используемый в композитной броневой пластине, имеющий цилиндрическую форму диаметром D и высотой H с выпуклыми торцами, при этом величина его диаметра существенно меньше высоты, отношение высоты цилиндра к его диаметру H/D находится в интервале от 2 до 4, верхний и нижний торцы имеют сферическую форму различной степени выпуклости, а отношение их радиусов R1:R2 находится в диапазоне от 0,4 до 0,7.

Кроме того, предлагается композитная броневая пластина, содержащая слой из множества керамических элементов цилиндрической формы, расположенных в упругом слое, причем керамические элементы выполнены согласно упомянутым выше соотношениям.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображен керамический элемент, используемый в композитной броневой пластине, имеющий цилиндрическую форму диаметром V и высотой H, причем верхний и нижний торцы имеют сферическую форму различной степени выпуклости. На фиг. 1 показан вид керамического элемента сбоку.

Керамический элемент выполнен в виде цилиндра диаметром D и высотой H с выпуклыми торцами, при этом величина его диаметра существенно меньше высоты, отношение высоты цилиндра к его диаметру H/D находится в интервале от 2 до 4, верхний и нижний торцы имеют сферическую форму различной степени выпуклости, а отношение их радиусов R1:R2 находится в диапазоне от 0,4 до 0,7. По сути, керамический элемент представляет собой тело качения, имеющее размер по высоте, меньше размера в диаметре. Ориентировочно радиусы керамического элемента выбираются близкими к диаметрам подкалиберных бронебойных снарядов (ПБС) наиболее распространенных калибров противодействующих средств.

Действие керамического элемента осуществляется следующим образом. При попадании ПБС в композитную броневую пластину его удар будет нанесен в любую точку одного из керамического элемента. Керамический элемент, принявший удар, противодействует внедрению острия снаряда как своей прочностью и кривизной поверхности, так и наклоном своей оси за счет плеча между точкой удара и диаметральной ее точкой, отклоняя при этом острие снаряда в сторону от центра вращения. Если на пути острия попадается следующее тело качения, оно совершит аналогичное воздействие и т.д. До полного отклонения снаряда. В случае частичного внесения острия снаряда в тело качения его поворот вокруг оси в направлении движения снаряда выведет их из зацепления, после чего взаимодействие будет происходить, как описано выше. Та часть ударной нагрузки, которая будет передана композитной броневой пластине через керамический элемент, распределится по поверхности броневой пластины, площадь контакта с которой значительно больше площади конца острия снаряда, что соответственно снижает уязвимость пластины. При ударе калиберного снаряда отклоняющее действие керамических элементов по сравнению с ПБС возрастет, т.к. диаметр его головной части больше, чем у ПБС, а за счет большей площади поперечного сечения удар будет распределен по площади нескольких соседних тел качения. При ударе кумулятивного снаряда его кумулятивная струя за счет большой скорости движения может проникнуть в керамический элемент или пробить его, одновременно приводя его в вращения за счет плеча, возникшего между точкой удара и диаметральной ей точкой. Наклон керамического элемента разрезает проникшую в него кумулятивную струю, подставляя под приходящие части струй непораженные участки, а со стороны пластины проникнувшая часть струй будет осуществлять кольцевой прорез гнезда, не давая возможности глубокого проникновения в пластину. Таким образом, предлагаемый броневой керамический элемент одновременно с пассивным противодействием приобретает свойства динамической защиты.

1. Керамический элемент для композитной брони, имеющий цилиндрическую форму диаметром D и высотой H с выпуклыми торцами, отличающийся тем, что величина его диаметра существенно меньше высоты.

2. Керамический элемент по п.1, отличающийся тем, что отношение высоты цилиндра к его диаметру H/D находится в интервале от 2 до 4.

3. Керамический элемент по п.1, отличающийся тем, что его верхний и нижний торцы имеют сферическую форму различной степени выпуклости, а отношение их радиусов R1:R2 находится в диапазоне от 0,4 до 0,7.