Аналіз броньованих структур, які використовуються для підвищення захищеності автомобілів багатоцільового призначенняронированных стр

 

Примітка: ЕДП ­ електродуговий переплав

ЕШП­ електрошлаковий  переплав

ТМО ­ термомеханічна обробка

ВІП ­ вакуумно­індукційний переплав

ВДП ­ вакуумно­дуговий переплав

 

Броньовані елементи зі сталі «44С» товщиною 6,5 - 6,6 мм забезпечують захист від куль 7Н22 та 7Н24 зі сталевим загартованим осердям калібру 5,45 мм. У відповідності  до це клас захисту ПСЗА-4.

Одним з можливих шляхів підвищення кулестійкості є створення біметалічної броні з зовнішнім шаром високої твердості (55-60 HRC) та тильним в’язким шаром. Таку броню можна отримати, наприклад, зварюванням вибухом, пакетною прокаткою або іншими способами. Достатньо широко такі сталі використовуються за кордоном.

Механіка процесу пробиття металевої  перешкоди суттєво залежить від  співвідношення її товщини та діаметру кулі чи осердя. Взаємодія осердя (кулі) з перешкодою починається з ударно-хвильової  стадії, яка характеризується наявністю ударних хвиль та хвиль розрідження як в перешкоді, так і в осерді. Оскільки осердя має, як правило, головну частину у формі усіченого конусу, тривалість початкової стадії мала та ударні хвилі, що виникають, швидко затухають.

Наступна стадія – стадія проникнення осердя в перешкоду. В залежності від співвідношення характеристик міцності матеріалів осердя кулі та перешкоди і швидкості взаємодії розрізняють проникнення деформованих та недеформованих тіл. Проникнення сталевих незагартованих осердь супроводжується інтенсивним динамічним деформуванням як осердя, так і перешкоди. Під час проникнення сталевих загартованих осердь вони до руйнування зазнають відносно малі деформації, що дає підставу вважати їх недеформованими.

Типи пробивання перешкод як деформованими, так і не деформованими осердями наведено на рисунку 2.1.

 

Рис. 2.1 - Механіка пробиття тонких перешкод: а − пробиття перешкоди ударником, що не деформується: 1 − вибиття пробки; 2 − пластичне розширення отвору у перешкоді; 3 − пластичне деформування перешкоди із утворення деформаційного куполу; б − пробиття перешкоди ударником, що деформується: 1 − проникання у зовнішній шар перешкоди; 2 − спрацювання ударника та утворення деформаційного куполу на тильній стороні перешкоди; 3 − утворення у деформаційному куполі тріщин; 4 − відкол у деформаційному куполі та утворення пробки; 5 − вибиття пробки; 6 − руйнування пробки та ударника

 

 

 

Результати досліджень наведені в, показують, що під час пробивання перешкоди ударником, що не деформується, в залежності від співвідношення товщини перешкоди b та діаметра ударника d_c реалізуються наступні механізми:

– при b > 1,17 d_c зрізанню пробки передує проникнення ударника в перешкоду на глибину b – 1,17 d_c ;

– при 0,58 d_c ≤ b ≤ 1,17 d_c пробиття перешкоди відбувається за механізмом зрізання пробки;

– при b < 0,58 d_c пробиттю перешкоди передує утворення тильного деформованого конусу з послідуючим вибиванням пробки або проколом з утворенням пелюстків.

Для прикладу, експериментальні значення граничних швидкостей не пробиття сталевих броньованих пластин зі сталі «44» різними засобами ураження, отримані в НДІ сталі, наведені в таблиці 2. 2.

 

Таблиця 2.2 – Експериментальні значення граничних швидкостей не пробиття

 броньованих пластин зі сталі «44»

 

Засіб ураження	Швидкість кулі, м/с	Товщина перешкоди, мм
ПС­13 (АКМ), ЛПС (СВД), 7Н6 з  сталевим загартованим осердям (АК­74)	500	2,65
	600	3,3
	700	4,0
	800	4,9
	900	6,0
ПС­13 з сталевим загартованим осердям (АКМ)	600	4,65
	650	5,25
	700	6,2
	735	7,0
Куля М193 із свинцевим  осердям до гвинтівки М16А1	550	2,0
	600	2,1
	700	2,4
	800	3,25
	850	4,0
	900	5,15
	950	7,0

 

Таким чином, якщо для забезпечення рівня захищеності АБП класу  захисту ПСЗА-5 використовувати сталеві  броньовані пластини зі сталі «44», то їх товщина повинна бути не менше 7 мм.

При розробці комбінованої захисної структури, яка складається з  стальної броньованої пластини та текстильного бронепакету можливо два підходи.

В першому підході товщина броньованої  пластини вибирається з умови її не пробиття засобами ураження, на які вона розрахована. Другій підхід  полягає в тому, що допускається пробивання стальної броньованої пластини за механізмом вибивання пробки, а решта осердя, що пройшла за броньовану пластину та вибита пробка затримуються текстильним бронепакетом (рис.   2.2).

Рис. 2.2 - Схема удару із пробиттям бронепластини та утриманням залишків осердя та вибитої пробки текстильним бронепакетом: 1 − стальна бронепластина; 2 − текстильний бронепакет; 3 − вибита та зруйнована пробка; 4 − залишки осердя

 

Такий підхід дозволяє зменшити товщину  стальної пластини на 0,5-1,0 мм, що значно зменшує масу комбінованої захисної структури. Для того, щоб мати можливість стверджувати про надійність захисту від впливу решти осердя та вибитої пробки з допомогою текстильного бронепакета, необхідно визначити їх швидкість після пробивання стальної броньованої пластини. Оцінка швидкості залишків осердя та вибитої пробки після пробивання сталевої бронепластини можна визначити за допомогою законів збереження імпульсу та енергії для не пружного удару  ударника з перешкодою у відповідності до схеми яка наведена на рисунку 2.3.

Рис. 2.3 - Схема удару ударника із перешкодою із вибиттям пробки

 

Основна текстильна броня повинна забезпечувати захист від дії осколків, а додаткова металева броня повинна забезпечувати захист за класом ПСЗА-5. Для цього використовуються бронепластини товщиною 6,5 мм.

Рис. 1.6 - Залежності товщини стальної пластини від граничної швидкості пробивання (а), швидкості після пробивання (б), кінетичної енергії (в) та питомої кінетичної енергії (г) вибитої пробки та залишків осердя при взаємодії куль ПС­43 зі сталевим загартованим осердям АКМ. □ − експериментальні данні;  ── – розрахункові. Пунктирними лініями показані рівні питомої кінетичної енергії, яка відповідає кулям пістолетів ТТ та ПМ.

Узагальнюючи розглянутий вище підхід, наведемо вираз для визначення швидкості залишків осердя та вибитої пробки після пробивання сталевої бронепластини:

 

де    ; ; 

 

При збільшенні товщини протикульної металевої броні більше b/d ≥ 1,5-2,0 виключаються найменш енергоємні механізми пробиття броні, пов’язані з тильним відколом, згином та розтягуванням броні в області впливу кулі, утворенням радіальних тріщин та наступним руйнуванням за типом розлому.

Гранична швидкість наскрізного пробиття зростає не тільки через зростання товщини перешкоди, але і внаслідок більш енергоємних механізмів її пробиття. Однак, через масово-габаритні обмеження броньованого захисту АБП збільшення товщини стальної броні більше 7 мм є не доцільним.

У випадку застосування замість  стальної броні високоміцних сплавів  титану та алюмінію рівної маси товщина  титанової броні збільшується в  середньому в 1,7 разів, а алюмінієва – в 2,8 разів, що дозволяє мати надію на збільшення протикульної стійкості відповідних захисних структур. Титанова броня значно легше рівних їй за стійкістю алюмінієвої та сталевої броні. В той же час, за вартістю листовий прокат з високоміцних алюмінієвих сплавів в 5 разів, а титанових в 25 разів перевищує вартість листового прокату з бронесталі.

 

3. КЕРАМІЧНА, КОМБІНОВАНА БАГАТОШАРОВА БРОНЯ

 

Вимоги щодо мінімальної маси захисту  обумовлюють необхідність використання в якості броні незвичних матеріалів. Ефективний захист АБП від засобів  ураження з високою проникливою здатністю – бронебійних гвинтівкових куль зі сталевим загартованим осердям – неможливий без використання в якості елемента захисної структури кераміки.

До кераміки відносять матеріали, які отримані спіканням або гарячим  пресуванням порошків мінеральних  речовин. Для виготовлення броньованих елементів використовують оксидну, карбідну, борідну, нитрідну та сумішеву кераміку. Звичайною технологією отримання керамічних виробів є спікання при високій температурі попередньо відпресованих заготовок. За допомогою такої технології отримують, наприклад, корундову кераміку (Al₂O₃). Якщо під час спікання відбуваються хімічні перетворення, то таку кераміку називають реаційноспеченою, наприклад кераміка на основі карбіду кремнію SiC. Спечені кераміки характеризуються невеликою пористістю, яка погіршує її механічні властивості. Невелика пористість керамічних виробів з високим рівнем механічних властивостей може бути досягнуто шляхом гарячого пресування вихідних порошків при високій температурі. Наприклад, за допомогою гарячого пресування при температурі 2200 °С отримують кераміку на основі карбіду бору B₄C.

На відміну від сталі, кераміка має в 2-3 рази меншу щільність  та, в середньому, в 2 рази більший  модуль пружності, що приводить до високих  значень швидкості розповсюдження повздовжніх пружних хвиль 10-12 км/с. Привертає увагу висока твердість керамік у поєднанні з низькою ударною в’язкістю. Саме висока твердість визначає захисну здатність керамічної броні.

Процес ударної взаємодії ударників  з перешкодою розділяється на дуже коротку початкову ударно-хвильову стадію та наступну достатньо тривалу стадію динамічного деформування та (або) проникнення ударнику в перешкоду без ударно-хвильових процесів. Ударно-хвильова стадія взаємодії характеризується наявністю інтенсивних ударних хвиль та хвиль розрідження як в перешкоді, так і в ударнику.

На стадії динамічної взаємодії  гальмування куль на «жорсткій» керамічній перешкоді супроводжується руйнуванням  їх головної частини та зняттям сорочки (рис. 3.1а).

Рис. 3.1 -  Взаємодія кулі з трьохшаровою перешкодою із зовнішнім керамічним шаром: а − спрацьовування кулі на «жорсткому» керамічному шарі; 1 − керамічний шар; 2 − органо­пластиковий шар; 3 − металевий шар; б − формування зруйнованого керамічного конусу; в − проникнення залишків осердя у зруйнованій кераміці, деформування підложки та утворення тильного деформаційного куполу

Твердість кераміки після високошвидкісного  удару через її руйнування в процесі хвильового формування поля зсувних та розтягуючих напружень, швидко зменшується. До тих пір, поки твердість кераміки, що руйнується, перевищує контактний тиск на межі куля – перешкода, проникнення кулі не відбувається. Умова жорсткості перешкоди виконується на протязі деякого часу. Після цього починається проникнення частково зруйнованої кулі в зруйновану кераміку і продовжується до тих пір, поки тиск на області контакту перевищує твердість зруйнованої кераміки (рис. 3.1 в). В момент часу, коли тиск в області контакту внаслідок гальмування кулі стає рівним твердості зруйнованої кераміки, проникнення кулі припиняється.

Таким чином, роль керамічного шару багатошарової перешкоди зводиться до руйнування  головної частини кулі, збільшенню впливу на наступні шари перешкоди та поглинання частини кінетичної енергії кулі в процесі її гальмування в зруйнованій кераміці. Для утримання зруйнованої кераміки у стисненому стані та попередження розльоту осколків необхідна достатньо міцна та енергоємна підложка, яка зупинятиме рух залишків кулі та зруйнованої кераміки в процесі свого деформування без руйнування з тильним деформаційним куполом, який допускається для об’єкту, яких захищається.

Результати експериментів також  свідчать, що загострені осердя у порівнянні з осердями з плоским торцем або  затупленою головною частиною мають  меншу проникливу здатність під  час впливу на багатошарові перешкоди із зовнішнім керамічним шаром.

Захисну здатність перешкоди відносно дії ударно-проникливих куль стрілецької  зброї, як правило, характеризують її товщиною або поверхневою щільністю, при  яких забезпечується «кондиційний»  характер ураження перешкоди. Кондиційному ураженню відповідає не тільки не пробиття перешкоди, але і відсутність в ній тріщин. Найбільш ефективними вважаються перешкоди, які при заданому рівні впливу засобів ураження забезпечують кондиційне ураження при мінімальних масово-габаритних характеристиках.