Баллистический имитатор головы для определения защитных свойств шлемов

Полезная модель относится к устройствам для испытания средств индивидуальной защиты человека, в частности к баллистическим испытательным стендам для оценки защитных свойств шлемов от воздействия высокоскоростных поражающих элементов (ПЭ) и вторичных осколков. Цель полезной модели заключается в создании конструкции баллистического имитатора головы (БИГ) для оценки жизнедеятельности и безопасности человека при использовании средств защиты головы (шлемов), причем практический интерес представляет определение параметров процесса формирования тупой черепно-мозговой травмы (повреждения) при не пробитии (не разрушении) шлема различными высокоскоростными поражающими элементами для оценки возможных последствий полученного повреждения (травмы). Для реализации цели имитатор головы содержит жесткое основание с лепестками, по форме соответствующие стандартному макету головы, обтянутые эластичной оболочкой, образующей полость заполненную жидкостью. Внутри полости на линии удара располагается датчик давления, а в основании расположен датчик ускорения, кроме того возможно размещение датчиков ускорения и в лепестках БИГ. А также имитатор головы имеет либо имитатор шейного отдела позвоночника либо его следует устанавливать на мини-сани для обеспечения свободного перемещения в направлении удара ПЭ. Полезная модель обеспечивает единство количественной оценки параметров процесса формирования повреждения объекта защиты (имитатора головы) при не пробитии (не разрушении) шлема различными высокоскоростными поражающими элементами.

Полезная модель относится к устройствам для испытания средств индивидуальной защиты человека, в частности к баллистическим испытательным стендам для оценки защитных свойств шлемов от воздействия высокоскоростных поражающих элементов боеприпасов и вторичных осколков.

Многочисленные экспериментальные данные [1] свидетельствуют, что нанесение тупой черепно-мозговой травмы (ЧМТ) различной тяжести возможно и без пробития защитного шлема, и, соответственно, без непосредственного контакта ПЭ с объектом защиты. Формирование тупой ЧМТ при этом происходит по причине динамического воздействия защитного шлема на объект защиты вследствие смещения как конструкции шлема в целом, так и его локального деформирования в области удара ПЭ, которые сопровождаются контактом и передачей части энергии на голову.

Известен стандарт NIJ Standard 0106.01 [2], который регламентирует методы испытаний для войсковых шлемов с намерением защиты головы владельца от воздействия поражающих элементов боеприпасов. В соответствии с данным стандартом, при испытаниях на тупой удар, при непробитии ПЭ шлема, используется сплошной макет головы, выполненный из любого подходящего материала, например магниевого сплава К-1А, с размещенным внутри датчиком ускорения. Макет головы, должен быть жестко закреплен на основании, которое может свободно перемещаться в направлении движения ПЭ. Общая масса модели головы и инструментальной сборки должна быть 5,0±0,5 кг (11±1,1 фунта) и статическая сила, направленная параллельно движению ПЭ, необходимая для начала движения сборки не может превышать 9 Н.

Регистрация ускорения позволяет рассчитать величину перегрузки и судить о ее допустимой или не допустимой величине. Так по требованию выше названного стандарта величина пикового ускорения шлема не должна превышать 400 g.

Известен макет головы [3] для оценки динамического воздействия шлема, выполненный в соответствии с антропометрическими параметрами головы человека (см. ГОСТ 12.4.128-83), отличающийся тем, что он состоит из двух частей - жесткого основания и укрепленной на нем верхней съемной части, имеющей форму половины эллипсоида и выполненной из пластичного материала, имеющего заданную энергоемкость деформации единицы объема. Кроме того, в отличие от стандарта NIJ Standard 0106.01 в документе HPW-ТР-0401.01 В [4] имитатор головы состоит из верхней части макета головы и нижней части - собственно муляжа, см. рисунок 1. Макет состоит: 1 - лепестки, 2 - пластилин, 3 - основание. Факт пробития или удара локально деформированного шлема по объекту защиты определяется по отпечатку в пластичном материале (баллистическом пластилине).

Регистрация объема отпечатка в пластилине позволяет выполнить сравнительную оценку ударостойкости двух и более шлемов.

Известны также биомеханические имитаторы головы человека БИТ-1 и БИГ-2, соответственно жесткая и эластичная эллипсоидальная оболочка которых формируют полости, заполненные жидкостью, с установленными датчиками давления [5]. Наличие датчика давления позволяет регистрировать изменение величины избыточного давления в реальном времени и рассчитывать такие величины как импульс давления и отношение импульса давления к его продолжительности, которые и используют для сравнительной оценки ударостойкости двух и более шлемов, при непробитии последних ПЭ боеприпаса.

Анализ представленных выше макетов и имитаторов головы показывает, во-первых, однообразный подход в геометрии модели имитатора и, во-вторых, в раздельном использовании двух типов датчиков: вибропреобразователя (акселерометра) и пьезоэлектрического датчика (датчика давления). Особенностью применения акселерометра является необходимость обеспечения его жесткой связи с объектом защиты, особенностью использования пьезоэлектрического датчика является необходимость его размещения в жидкой (внутриполостной) среде.

Задачей, решаемой предлагаемой полезной модели, является реализация совместного применения в одном имитаторе головы акселерометра и пьезоэлектрического датчика, что существенно повышает информативность выполняемых баллистических испытаний шлемов, и позволяет определить параметры процесса формирования повреждения (тупой черепно-мозговой травмы) при не пробитии высокоскоростными поражающими элементами шлема.

Сущность полезной модели поясняется эскизом, где показан общий вид баллистического имитатора головы, рисунок 2. Выбираем типовую, по документу HPW-TP-0401.01B [4], имитатор головы ATC (Aberdeen Test Center) и полость между алюминиевыми (дюралевыми) лепестками заполняем не пластилином, а жидкостью (водой). Для этого, на верхнюю часть модели головы, по аналогии с моделью БИГ-1, надеваем каучуковую оболочку и фиксируем ее на базовой пластине.

Верхние части, включая базовую пластину (base plate), сделаны из 6061-Т6 алюминия или его эквивалента. Нижняя часть модели головы (lower head form) по сути, представляет собой муляж, который может быть изготовлен из пластизоли.

При этом пьезоэлектрический датчик (сфера - желтого цвета) располагаем также как и в модели БИГ-2 - у основания, т.е над базовой пластиной, а акселерометр (сфера - красного цвета) под базовой пластиной.

Возможно, увеличение числа датчиков ускорения до 4-х и в этом случае их можно разместить непосредственно в каждом из 4-х алюминиевых лепестков, используя для этого отверстия для крепления последних к базовой пластине. Модель головы БИГ-4 (БИГ-3), для проведения испытаний ударостойкости шлемов, следует устанавливать на мини-сани (основание), что соответствует требованиям стандарта NIJ Standard-0106.01. Либо использовать встраиваемый имитатор шейного отдела позвоночника.

Практическая отработка баллистического имитатора головы в составе испытательного стенда показана на рисунке 3. Примеры полученных регистраций сигналов от трех осевого акселерометра и пьезоэлектрического датчика давления показаны на рисунке 4.

Таким образом, предлагаемый баллистический имитатор головы позволяет на одном испытании при не пробитии (не разрушении) шлема различными поражающими элементами регистрировать одновременно такие параметры процесса формирования повреждения как ускорение (перегрузка) объекта защиты (головы) и величину избыточного внутриполостного давления в реальном времени.

Источники информации

1. Котосов А.А., Логаткин С.М., Зигунов С.П. Критерии и методы оценки эффективности поражающих элементов боеприпасов при непробитии общевойскового шлема. [Текст]/ под общей ред. А.А. Котосова - Пенза: ПАИИ, 2007. - 195 с.

2. Standard for Ballistic Helmets (NIJ Standard-0106.01), U.S. Departament of Justice, National Institute of Justice, Washington D.C., December 1981.

3. Патент 2115957 Российская Федерация, МКИ⁶ G09B 23/30. Модель головы [Текст]/ Котосов А.А., Тюрин М.В. и др.; заявитель и патентообладатель они же. 96124792/12; заявл. 31.12.96; опубл. 20.07.98. Бюл. 20. - 3 с: ил.

4. HPW-TP-0401.01B (1995). Bullet resistant helmet. Test procedure.

5. Патент (полезная модель) 7537. Модель головы человека биомеханическая. МКИ⁶ G09B 23/30. А.В. Морозкин и др. (Россия), НИИстали, заявл. 97110792 от 04.07.97, опубл. 16.08.98.

Баллистический имитатор головы для оценки защитных свойств шлемов при непроникающем воздействии поражающими элементами боеприпасов, выполненный в соответствии с антропологическими параметрами головы человека и включающий нижнее жесткое основание и верхнюю часть, состоящую из четырех алюминиевых лепестков, покрытых пластической оболочкой, при этом алюминиевые лепестки образуют заполненную жидкостью полость, внутри которой на линии удара расположен датчик давления, а в центре основания установлен датчик ускорения, отличающийся тем, что дополнительно введены три датчика ускорения, все датчики ускорения размещены в алюминиевых лепестках с использованием отверстия для крепления алюминиевых лепестков к основанию, а основание выполнено в виде мини-саней или встраиваемого имитатора шейного отдела позвоночника.