Патент на изобретение №2315257

(54) БРОНЕВОЙ ЭЛЕМЕНТ

(57) Реферат:

Изобретение относится к средствам индивидуальной защиты и защиты боевой техники и гражданской спецтехники от поражения баллистическими инденторами (снарядами, пулями, осколками). Предложен броневой элемент, содержащий броневую плиту и тела качения. Броневая плита выполнена биметаллической и состоит из слоя титанового сплава и слоя из алюминия. Тела качения размещены в композиционном армированном пакете, соединенном сваркой взрывом с броневой плитой со стороны слоя из алюминия. Композиционный армированный пакет содержит лобовой слой из алюминия и не менее двух слоев, размещенных в ячейках металлической сетки тел качения, смещенных относительно друг друга на величину 0,5 шага их укладки и соединенных между собой алюминиевыми прослойками. Использованы металлические сетки с размером ячейки 0,75…0,85 диаметра тел качения. Тела качения и металлические сетки выполнены из материалов с твердостью не менее твердости материала баллистического индентора. Слой тел качения, расположенный под лобовым слоем из алюминия, выполнен из последовательно чередующихся керамических и стальных намагниченных тел качения, а слой, расположенный под первым, выполнен из стальных тел качения. Изобретение направлено на увеличение прочности и долговечности броневого элемента за счет снижения проникающей способности баллистического индентора. 1 табл., 5 ил.

Изобретение относится к средствам индивидуальной защиты (бронежилетам, шлемам) и броневой защиты жизненно важных узлов боевой техники (вертолетов, бронемашин) и гражданской спецтехники от поражения баллистическими инденторами (снарядами, пулями, осколками).

Известна полиэлементная броня (патент РФ №2045736, МПК F41H 5/04, опубл. БИ №28 от 10.10.95), содержащая подвижные броневые элементы, нижняя часть каждого из которых образована выпуклой сферической поверхностью, связанной разрушаемым соединительным элементом с неподвижной броневой плитой, в которой выполнены сферические углубления для установки нижней части подвижных броневых элементов, верхняя часть которых образована сферической поверхностью, сопряженной со сферической поверхностью нижней части, причем в каждом подвижном броневом элементе выполнены полости, заполненные быстросгорающим самовоспламеняющимся составом, и сообщающиеся с ними тангенциальные каналы, выходящие на поверхность верхней части подвижного броневого элемента. Поверхность между подвижными броневыми элементами, выполненная в виде выступающих многогранников, обеспечивает рикошетирование снаряда при попадании в промежуточное пространство и создает начальный дестабилизирующий момент: изменяет направление движения снаряда на подвижный броневой элемент, что позволяет дестабилизировать в какой-то степени (зависящей от прочности разрушаемого соединительного элемента) процесс проникания снаряда в броню и снизить вероятность ее пробития.

К недостаткам данной брони следует отнести: наличие скважности (площади, не перекрытой неподвижными броневыми элементами) не обеспечивает равнозащищенности броневой плиты, что увеличивает проникающую в нее способность баллистических инденторов (снарядов, пуль, осколков) вплоть до ее пробития; а также наличие разрушаемого соединительного элемента между неподвижной броневой плитой и неподвижными броневыми элементами не исключает выбивания последних при ударе баллистических инденторов из углублений в неподвижной броневой плите, следствием чего может стать сквозное пробитие полиэлементной брони при последующих попаданиях баллистических инденторов в ранее пораженную ее область.

Наиболее близкой по технической сущности является конструкция броневого элемента (патент РФ №2169335, МПК F41H 5/04, опубл. БИ №17 от 20.06.01), содержащего плиту из брони и тел качения, имеющих возможность вращения. Броня выполнена с гнездами под тела качения, которые фиксируются в них при помощи листа, выполненного с отверстиями для пропуска верхней части тел качения, закрывающего плиту сверху и удерживающего тела качения в гнездах плиты. Задача, на решение которой направлено это изобретение, заключается в создании броневых элементов боевых машин, содержащих пассивную броню, способную осуществить отклонение и разрушение различных типов баллистических инденторов, а также обладающую способностью дополнительных электромагнитных воздействий в случае недостаточности первичного пассивного воздействия.

К недостаткам данной брони можно отнести: отсутствие наличия какой-либо связи плиты из брони с телами качения, неизбежно приводящее при ударе баллистического индентора к выбиванию их из гнезд плиты из брони, следствием чего может стать сквозное пробитие броневого элемента от последующих попаданий баллистических инденторов в ранее пораженную его область, а также такие броневые элементы из-за своих конструктивных особенностей могут найти применение только для защиты тяжелых боевых машин, имеющих большие габариты.

Задачей данного изобретения является создание такой конструкции броневого элемента, содержащей пассивную броню и способной осуществлять отклонение в нужном направлении траектории полета баллистического индентора, его разрушение и, как следствие, полное торможение последнего в броневом элементе без его пробития, а также выдерживать многократные попадания баллистических инденторов в одно и то же поле брони.

Технический результат, который обеспечивается при осуществлении изобретения, – это увеличение прочности и долговечности броневого элемента.

Поставленный технический результат достигается тем, что в броневом элементе, содержащем броневую плиту и тела качения, броневая плита выполнена биметаллической из высокопрочного титанового сплава и алюминия с соотношением толщин слоев 1:0,2…0,5 и соединена сваркой взрывом с композиционным армированным пакетом, содержащим не менее двух слоев тел качения, смещенных относительно друг друга на величину 0,5 шага их укладки и соединенных между собой алюминиевыми прослойками и металлическими сетками с размером ячейки 0,75…0,85 диаметра тел качения, при этом слой тел качения, расположенный под лобовой поверхностью броневого элемента, выполнен из последовательно чередующихся керамических и стальных намагниченных тел качения, а второй слой, расположенный под ним, выполнен из стальных тел качения, причем все тела качения и металлические сетки выполнены из материалов с твердостью не менее твердости материала баллистического индентора.

В отличие от прототипа в заявленном объекте броневая плита выполнена биметаллической, а тела качения прочно соединены в композиционном пакете, что препятствует их выбиванию при ударе баллистического индентора и позволяет изменить траекторию его полета, в результате чего увеличивается прочность и долговечность брони.

Выполнение броневой плиты биметаллической из высокопрочного титанового сплава и алюминия с соотношением толщин слоев 1:0,2…0,5 позволяет обеспечить высокую прочность соединения броневой плиты и композиционного армированного пакета. При назначении толщины алюминиевого слоя броневой плиты учитывается диаметр тел качения, который выбирается близким к диаметру баллистического индентора. При выполнении толщины алюминиевого слоя меньше 0,2 толщины титанового слоя имеет место снижение прочности соединения броневой плиты с композиционным армированным пакетом из-за незавершенности процесса компактирования. Выполнение толщины алюминиевого слоя больше 0,5 толщины титанового слоя приводит к переутяжелению броневого элемента.

Выполнение композиционного армированного пакета с двумя слоями тел качения позволяет снизить проникающую способность баллистического индентора вплоть до полной его остановки не только за счет прочностных свойств материалов, образующих композиционный пакет, но и за счет конструктивных особенностей его, способствующих преобразованию локального воздействия баллистического индентора в распределенное по некоторой площади, существенно превосходящей площадь поперечного сечения индентора в его головной части.

Выполнение пакета композиционным армированным с двумя слоями тел качения, смещенных относительно друг друга на величину 0,5t_ТК (t_ТК – шаг укладки тел качения), позволяет повысить прочность и долговечность за счет обеспечения равнозащищенности броневой плиты по всей ее площади и тем самым добиться снижения вероятности пробития броневого элемента, а также быстрого и эффективного восстановления поврежденного индентором участка путем зачеканивания выступающих на поверхности брони инденторов или тел качения, т.е. восстановление брони можно осуществлять молотком. При смещении тел качения больше 0,5t_ТК происходит снижение прочности брони за счет наличия просветов между телами качения, заполненных мягкой алюминиевой прослойкой, что позволяет индентору легко преодолевать и пробивать насквозь эти ослабленные участки.

Выполнение композиционного армированного пакета с лобовым слоем из последовательно чередующихся керамических и стальных намагниченных тел качения позволяет увеличить эффект отклонения траектории баллистического индентора от нормали, способствующий большему поглощению его кинетической энергии и уменьшению проникания в тело броневого элемента.

Выполнение композиционного армированного пакета, содержащего металлические сетки, позволяет сформировать слои из равномерно расположенных тел качения.

Выполнение металлических сеток с размером ячейки 0,75…0,85 диаметра тел качения d_ТК позволяет сформировать слои из равномерно уложенных тел качения с шагом t_TK, равным их диаметру, что снижает вероятность пробития броневого элемента баллистическим индентором. При выполнении металлических сеток с размером ячейки менее 0,75d_TK происходит снижение прочности соединения из-за неустойчивого расположения тел качения в ячейках сетки, что позволяет при встрече индентора с телами качения легко их сместить или даже выбить из сетки на наружную поверхность брони. При выполнении металлических сеток с размером ячейки более 0,85d_TK происходит снижение прочности соединения из-за нарушения равномерного распределения тел качения и наличия просветов между ними, что позволяет индентору легко смещать тела качения и без какого-либо сопротивления пробивать эти ослабленные участки.

Выполнение композиционного пакета, армированного телами качения и стальными сетками с твердостью не менее твердости материала баллистического индентора, позволяет снизить его проникающую способность и уменьшить вероятность пробивания броневого элемента, а также повысить долговечность за счет также быстрого и эффективного восстановления поврежденного индентором участка.

Сущность изобретения поясняется чертежами и фотографиями, где на фиг.1 изображен вид сбоку броневого элемента, на фиг.2 – поперечный фигурный разрез броневого элемента, на фиг.3 – вид фрагмента броневого элемента со стороны лобовой поверхности, на фиг.4 – фотография лобовой поверхности обстрелянного броневого элемента (буквами А и Б обозначены входные отверстия от пуль калибра 7,62 мм, застрявших в броневом элементе, а буквами В, Г и Д – сквозные отверстия от пуль), на фиг.5 – фотография тыльной поверхности обстрелянного броневого элемента (буквами А и Б обозначены отпечатки от пуль на тыльной поверхности броневого элемента, застрявших в нем, а буквами В, Г и Д – сквозные отверстия от пуль на тыльной поверхности броневого элемента).

Броневой элемент содержит биметаллическую плиту 1 (фиг.1), выполненную из высокопрочного титанового сплава 2 и алюминия 3, с соотношением толщин слоев 1:0,2…0,5. Биметаллическая плита 1 соединена сваркой взрывом с композиционным армированным пакетом 4, содержащим не менее двух слоев тел качения, смещенных относительно друг друга на величину 0,5 шага их укладки t_TK и соединенных между собой алюминиевыми прослойками 5, 6 (фиг.2) и металлическими сетками 7 с размером ячейки 0,75…0,85 диаметра тел качения, при этом слой тел качения, расположенный под лобовой поверхностью броневого элемента, выполнен из последовательно чередующихся керамических 8 и стальных намагниченных 9 тел качения, а второй слой, расположенный под первым, выполнен из стальных тел качения 10. При этом тела качения 8, 9, 10 и металлические сетки 7 выполнены из материалов с твердостью не менее твердости материала баллистического индентора.

Броневой элемент работает следующим образом.

Баллистический индентор (пуля, снаряд, осколок) столкнувшись с броневым элементом, первым встречает на своем пути лобовой алюминиевый слой 6 (фиг.2) тел качения композиционного армированного пакета 4. Тело качения, принявшее удар, противодействует внедрению острия баллистического индентора, как своей прочностью, так и кривизной поверхности, способствующей отклонению его головной части вбок от центра тела качения. При этом на пути баллистического индентора встречаются соседние тела качения (керамические 8 и стальные намагниченные 9), что приводит к еще большему его разрушению, снижению его кинетической энергии и увеличению площади, воспринимающей удар, т.е. к преобразованию локального воздействия в распределенное. Второй слой, расположенный под лобовым, выполняет роль барьера, снижающего кинетическую энергию осколков тел качения лобового слоя и остаточную энергию баллистического индентора или его осколков до уровня, при котором броневая плита 1 способна противостоять пробитию и минимизировать заброневое (травмирующее) воздействие.

Изготовление броневого элемента осуществляется за две операции. Первая операция сводится к тому, что на броневую плиту 1 (фиг.2), выполненную биметаллической из высокопрочного титанового сплава и алюминия с соотношением толщин слоев 1:0,2…0,5, укладывают стальную сетку 7, размещают в ее ячейках стальные тела качения 10 и с помощью сварки взрывом соединяют их между собой и с броневой плитой 1 алюминиевой прослойкой 5. После этого (вторая операция) на сваренную взрывом заготовку со стороны алюминиевой прослойки 5 укладывают второй слой металлической сетки 7 и заполняют ее ячейки последовательно чередующимися керамическими 8 и стальными намагниченными 9 телами качения, на которые сверху устанавливают лобовой алюминиевый слой 6, а затем с помощью сварки взрывом соединяют с заготовкой, полученной в результате выполнения первой операции.

Пример исполнения

Для изготовления броневых элементов были использованы: плиты из титанового сплава ВТ1-0 толщиной 5 мм, плакированные алюминием АД1 (ГОСТ 4784-74) толщиной 0,5…3 мм; шарики из стали ШХ (ГОСТ 3722-81) диаметром 5…7 мм; листовой алюминий (ГОСТ 4784-74) толщиной 2,5 мм (в качестве прослоек); керамические шарики из оксида алюминия Al₂О₃ диаметром 5 мм; шарики из стали ШХ (ГОСТ 3722-81) диаметром 5…7 мм, намагниченные в индукционной катушке до насыщения; стальная сетка со стороной квадратной ячейки, равной 3…6 мм.

Первая операция выполнялась следующим образом (фиг.2): на биметаллическую плиту 1 (ВТ1-0+АД1) со стороны алюминиевого слоя 2 укладывалась стальная сетка 7, в ее ячейках укладывались шарики 10 из стали ШХ, на

Таблица
Влияние соотношения толщин алюминиевого и титанового слоев Al/Ti, диаметра тел качения dTK и размера ячейки металлической сетки на прочность соединения c броневого элемента
Номер эксперимента	Толщина алюминиевого слоя Al, мм	Толщина титанового слоя Ti, мм		Диаметр тел качения dТК, мм	Размер ячейки сетки	Прочность соединения c, МПа
01	0,5	5	0,1	5	0,8dTK	51
02	1,0		0,2			88
03	1,5		0,3			102
04	2,0		0,4			108
05	2,5		0,5			110
06	3,0		0,6			110
07	0,5	5	0,1	6	0,8dTK	45
08	1,0		0,2			80
09	1,5		0,3			100
10	2,0		0,4			106
11	2,5		0,5			110
12	3,0		0,6			110
13	0,5	5	0,1	7	0,8dTK	39
14	1,0		0,2			70
15	1,5		0,3			90
16	2,0		0,4			104
17	2,5		0,5			110
18	3,0		0,6			110
19	1,0	5	0,3	5	0,70dTK	91
20					0,75dTK	105
21					0,80dTK	107
22					0,85dTK	104
23					0,90dTK	89

которые сверху устанавливалась алюминиевая прослойка 5, а затем все эти элементы соединяли между собой с помощью сварки взрывом.

Вторая операция заключалась в том, что на трехслойную армированную заготовку, полученную после выполнения первой операции, со стороны алюминиевой прослойки 5 укладывался второй слой стальной сетки, ее ячейки заполнялись последовательно чередующимися керамическими 8 и металлическими намагниченными шариками 9, которые с помощью сварки взрывом соединяли поверхностным слоем из алюминия между собой и с заготовкой, полученной в результате выполнения первой операции. Данные о влиянии соотношения толщин алюминиевого и титанового слоев _Al/_Ti, диаметра тел качения d_TK и размера ячейки металлической сетки на прочность соединения _с броневого элемента приведены в таблице. Полученные результаты исследований показали, что оптимальное соотношение толщин алюминиевого и титанового слоев находится в интервале 0,2…0,5, а оптимальный размер ячейки металлической сетки составляет 0,75…0,85 d_TK, при этих значениях достигается максимальная прочность соединения броневого элемента, равная 102…110 МПа.

Изготовленные таким образом броневые элементы были подвергнуты обстрелу пулями калибра 7,62 мм из автомата АК на расстоянии 50 метров. Результаты обстрела показали, что изготовленные по предлагаемому изобретению броневые элементы успешно прошли испытания, т.е не были пробиты в местах расположения тел качения (фиг.4 и 5).

Формула изобретения

Броневой элемент, содержащий броневую плиту и тела качения, отличающийся тем, что броневая плита выполнена биметаллической и состоит из слоя титанового сплава и слоя из алюминия с соотношением толщин слоев 1:0,2…0,5, тела качения размещены в композиционном армированном пакете, соединенном сваркой взрывом с броневой плитой со стороны слоя из алюминия, композиционный армированный пакет содержит лобовой слой из алюминия и не менее двух слоев, размещенных в ячейках металлической сетки тел качения, смещенных относительно друг друга на величину 0,5 шага их укладки и соединенных между собой алюминиевыми прослойками, причем использованы металлические сетки с размером ячейки 0,75…0,85 диаметра тел качения, тела качения и металлические сетки выполнены из материалов с твердостью не менее твердости материала баллистического индентора, слой тел качения, расположенный под лобовым слоем из алюминия, выполнен из последовательно чередующихся керамических и стальных намагниченных тел качения, а слой, расположенный под первым, выполнен из стальных тел качения.

РИСУНКИ