УСПЕХИ В ОБЛАСТИ КЕРАМИЧЕСКОЙ БРОНИ Пол Дж. ICTизелл

В вастоящЕ Еут ерествуествуествуествуест нерарено волеребность б и и и габаритабарита бронированных системах. Оридается, боевые бонированны будураванны б и и габария пребования твания луегиаегичесичесичесичесичесий мбTиtоности. Этому способствует современная броневая керамика, которая является очень прочным материалом, фактически она обладает значительно более высокими характеристиками по сравнению с имеющимися самыми прочными сталями. Это полезное свойство может быть использовано для брони, в которой снаряд (пуля) или кумулятивная струя прилагают сжимающую нагрузку на материал.

Западные вооруженные силы увеличивают свое присутствие за границей, где основная угроза представлена значительным распространением тяжелых пулеметов (НMG) или выстреливаемых с упором в плечо противотанковых средств типа РПГ. Эту проблему часто усугубляют политические и (или) оперативные требования, выполнение которых требует главным образом использования легких боевых бронированных машин, в основном колесных, которые по своей конструкции и ограничениям по массе отличаются довольно низким уровнем броневой защиты от огнестрельного оружия (обычно от 7,62-мм оружия). В связи с таким положением возникает требование к производству брони, обеспечивающей лучшую защиту личного состава при Hla одновремении сведении сведении доима Е оле олной Массси Масссий Масс.

Большинство систем брони оптимизировано для «разрыва» и «поглощения» кинетической энергии подлетающего средства уоззы. Yog li ntawd, peb 7,62-ММ / 39 пулю ак-47. Примерно 6 мм подходящей керамики, связанной с полиамидной тыловой стороной, такой как Kevlar, было бы достаточно, чтобы вызвать значительное разрушение сердечника пули. Разбивание сердечника связано также с радиальной дисперсией. То есть, осколки сердечника приводятся в движение перпендикулярно, когда снаряд пытается пробить систему. Это уменьшает плотность кинетической энергии снаряда (кинетическая энергия, деленная на площадь поперечного сечения снаряда) и, thiab, xws li, уменішает сробобость.

Начало первого исследования в области типов брони, облицованной керамикой, может быть отнесено к периоду как раз после первой мировой войны, когда в 1918 году майор Невилл Монроу Хопкинз экспериментально наблюдал, что 0,0625 дюйма твердой эмали, нанесенной на подвергающуюся удару сторону стальной цели, увеличивало ее защитные возможности. Несмотря на это раннее открытие, применение керамических материалов является относительно недавним способом повышения защитных свойств в в таки вак великобритания. Однако этот способ нашел широкое использование в Советском Союзе и военнослужащими США во время вьетнамской войны. Здесь использование керамических материалов вызвано попыткой уменьшить потери летчиков вертолетов. Например, в 1965 году вертолет UH-1 HUEY был оснащен комплектом композитной брони с твердым покрытием (HFC), используемым в бронированных сиденьях пилота и второго пилота. Сиденья обеспечивали защиту от 7,62-мм бронебойных (АР) боеприпасов снизу, с боков и сзади благодаря использованию Облицовки из иора из кора из основания и с с с ссЕклволкна. Карбид бора является одной из самых легких керамик, которые могут использоваться в броне (и по хорошей причине). Он имеет примерно 30 % от массы стали того же объема и в то же время величину твердости, которая обычно в шесть раз больше твердоотий гомоогенной броненной стали (см. 1).

Прежде чем углубиться в изучение современных успехов в технологии керамической брони, полезно рассмотреть механизмы, за счет которых система на базе керамики способна разрушать снаряды. Ранняя работа М. Л. Уилкинза и его коллег из лабораторий США создала основу для понимания того, что фактически происходит, когда пуля стелкововововововововововового наносит уо и со аамическичесимы пкрытием.

В момент удара ультразвуковые волны нагрузки распространяются в керамику и вдоль сердечника пули. Волны в обоих этих материалах разрушаются, для керамики это становится проблемой, когда волна сталкивается с периферийной поверхностью раздела или на самом деле со связующим слоем между керамикой и ее защитным слоем. Большинство типов керамической брони в настоящее время создается при использовании полимерного связующего материала, Noоторый поей ирроде иироде иироде иироде иироееи иззкують и плллотнотть. На поверхности раздела керамики/связующего материала происходит сильное эластичное отражение, которое разбивает керамическичткий Материал. Кроме этого, происходит сильная сдвиговая волна, которая буквально «расстегивает как молнию» полимерный связующий материал и, следовательно, отсоединяет керамическую плитку от ее опоры. Однако в это время материал под средством пробивания сжимается; конические трещины исходят от места удара и это они ведут к образованию конуса в материале, что в большинстве случаев, распространяет нагрузку от пули по более широкой площади поверхности (см. рис. 6).

Ээервое пререимущест оторое обеспеспеспесп керами. Как уже упоминалось, керамика очень твердая и эта высокая твердость обеспечивает сопротивление пробиванию. Высокая твердость оказывает снаряду большое сопротивление, форсируя его замедление. Newоптельнительныу преимущестства достирестства мгтстства достаютстства огтстства МашиностероительнАя карамика Обычнова раза жесте стали; жесткость увеличивает свойство, называемое акустическим сопротивлением, которое воздействует на интенсивность сверхзвуковой волны, воздействие которой направлено назад по стержню снаряда. Это очень важно, так как керамика с высоким акустическим сопротивлением приводит к высокой интенсивности воздействия ультразвуковой волны на снаряд, вызывая его повреждение при растяжении.

Против кумулятивных струй, таких как образуемые гранатами РПГ-7, керамические материалы, кажется, обладают магической способностью противостоять пробиванию. Разгакой звляется охется охпкое прупкое противодериатериатериатериатериатериатериатериатериатериатериате) Когда кумулятивная струя проникает в керамику, она разбивается на очень мелкие осколки в ограниченном для материала проникающей струи районе. Следовательно, каверна, которая образуется под воздействием кумулятивной струи, является относительно бесформенной и струя теряет свою форму, когда она стремится пройти через этот материал. Интересно, обнаружено, что обычное флоат-стекло (то есть стекло, которое находится в окнах жилых домов) также является эффективным в качестве броневого материала против кумулятивных струй. Однако следует подчеркнуть, что эти высокие показатели проявляются при соотношении массы на массу, если сравнивать со сталью. Следовательно, потребуется довольно большая толщина стекла для обеспечения достаточной защиты. Оннное стекло толщиной 3 Не устоит против сруи гранаты) 7 !!

Однако интересная концепция была предложена на 13-ом европейском симпозиуме по боевым бронированным машинам (AFV), проводимом университетом Cranfield University в военной академии Великобритании (30 апреля-2 мая 2008 года). Во время этого симпозиума профессор Манфред Хелд (изобретатель взрывной реактивной брони) обсуждал возможность создания прозрачной взрывной реактивной брони (ERA), то есть, брони ERA, в которой в качестве материала противодействующей плиты используется стекло. Если бы использовалась прозрачная взрывная жидкость вместо обычных составов РВХ, можно было бы производить полностью прозрачную систему Era. Однако, как подчеркнул профессор Хелд, эта система будет очень тяжелой, так как задняя плита (основной броневой защиты) должна быть очень толстой и достаточно жесткой, так чтобы она не воздействовала на сидящего за ней члена экипажа, когда детонирует взрывчатое вещество взрывной защиты. Толщина неподвижной задней плиты должна быть порядка 150- 200 мм по сравнению с 10- 20 мм передней противодействующей плиты.

Керамические материалы обладают также хорошим механизмом упрочнения при нанесении удара при более высоких скоростях поражающих элементов. Это особенно полезное свойство при воздействии кумулятивной струи, так как прочность керамики, в этом случае, значительно увеличивается при этих очень высоких темпах нагрузки. Это хорошее свойство для разработчика брони. По мере увеличения прочности возрастает сопротивление пробиванию и, следовательно, струе или снаряду все труднее пробивать такую преграду. Именно этот механизм упрочнения делает эти материалы особенно ценными в остановке самоформирующихся поражающих элементов типа «ударного ядра» (EFP). Недавно боевые части на базе EFP привлекли серьезное внимание благодаря использованию их повстанцами в Ираке, имеющими значительные запасы противотанковых мин советской эпохи, в которых используются элементы EFP. Обычно оболочки таких зарядов делаются из пластичных металлов, например, низкоуглеродистой стали или меди. Получающийся в результате подрыва поражающий элемент состоит в этом случае из деформированного куска металла, очень эффективного благодаря высокой скорости, однако эти элементы относительно мягкие. В более усовершенствованных элементах EFP используется тантал (очень дорогой материал из-за его использования в мобильных телелзонах). Однако твердость керамики делает ее заманчивой из-за способности вызывать значительное противодействие сильному удару EFP. Одним из примеров керамической брони для защиты от EFP является плита, устанавливаемая на некоторых машинах под днищем Tag nrho cov rau lub teb защиты отыиты.

В 1980-е годы в большинстве систем защиты на основе керамики, которые использовались на поле боя, употреблялся оксид алюминия, известный иначе как глинозем (alumina). Оксид алюминия относительно недорогой в производстве и даже довольно тонкие элементы защиты на его базе могли остановить пули стели стели сружия оружия, оружия, орстреливаемые с с оройой скостью. Как отметил в 1995 году С. Txog. Роберсон из фирмы Advanced DefenceMaterials Ltd, имеются значительные улучшения характеристик систем защиты при использовании оксида алюмия пора п арами керами / комозимонатериатериалаии. А при использовании систем с карбидом кремния и карбидом бора дополнительная баллистическая характеристика мала при Tebchaw доптельNныхательных затах. ICть нривая Нениваяококооко иззменилась с 1995 года, соотношение остается остается остается остается остается остается остается Существует оптимальное по высокой стоимости решение для относительно небольшого улучшения баллистической характеристики. Однако преимущество добавленной защиты от огнестрельного оружия (хотя и небольшой) может быть заманчивым, если требуется минимальная масса, например, в самолетных или личных (индивидуальных) системах защиты.

Оксид алюминия широко используется в системах индивидуальной защиты личного состава, а также в системах защиты машин. В Великобритании первая система защиты для личного состава массового производства, в которой использовались Noарарескичлиты, была в северндии. Базовая мягкая система защиты, известная как боевая личная броня (СВА), является составной и состоит из основного элемента из найлонового и полиамидного волокна, к которому могут добавляться 1-кг плиты из композиционного материала с полиамидным волокном, облицованные керамикой для обеспечения защиты сердца и основных органов от высокоскоростных винтовочных пуль (см. рис. 10). Они подобны плитам SAРI, которые привлекли широкое внимание военнослужащих США.

Несмотря на экономическую эффективность и способность оксида алюминия остановить большинство пуль стрелкового оружия при относительно хорошей эффективности по массе, свой путь на рынок керамической брони нашли другие керамические Материалы. Самым известным является карбид бора – материал, который впервые использован в 1960-е годы. Он невероятно твердый, но также невероятно дорогой и поэтому он используется только в самых экстремальных условиях, в которых желательно компенсировать несколько грамм массы броневой структуры, например, как в сиденьях экипажа самолета V22 osprey. Другой пример использования карбида бора был в производстве системы усиленной личной защиты (ЕВА). Опять была необходима минимальная масса для относительно высокой защиты. Она была введена британскими сухопутными войсками для обеспечения защиты от 12,7-мм пуль со стальным сердечником и содержала в себе комплект «тупой травмы». Тупая травма происходит, когда защита не пробивается, но передача импульса удара вызывает большую деформацию в слое опоры, ведущую к ушибам, серьезным травмам основных органов и даже смерти.

Кора бора боа Материатериаломаиатериалом в высокими варактеристикаистакаистии Однако кроме невероятной твердости, которой обладает этот материал, и его невероятно низкой плотности, он имеет один потенциальный неостаток. В последние годы есть некоторые основания предполагать, что он не будет действовать так хорошо, как ожидают, при пробивании высокоскоростными пулями с плотным сердечником. Это, как полагают, обусловлено физическими изменениями, которые происходят с материалом, когда он подвергается сльному удару, выззываемому эоtпми боеприпасами. Фактически при испытании с неопределенным алюминиевым материалом в качестве опоры есть основание предполагать, что против особых снарядов на базе карбида вольфрама определенные марки карбида бора действуют также хорошо, как и пеграды окисла Алюмия. Ээео Несмытря нальльуш тардость бората борать торать торать Обнаружено также, что когда карбид бора связан с слоистым пластиком, армированным волокном, происходит явление «Разрушения промежууков». Это происходит там, где обнаруживается двойная скорость V50 (скорость, при которой ожидается, что 50 % снарядов полностью пробьют цеель). Раскрытия (действия) двойной скорости V50 обычно объясняются переходом от пробивания цели неповрежденным снарядом к поражению цели разрушенным снарядом на более высоких скоростях. Однако работа научно-исследовательской лаборатории сухопутных войск США показала, что воздействие при большей скорости V50 на композиционный материал, облицованный карбидом бора, происходит в связи с изменением в процессе образования осковкикиамики. Тем не менее, вывод из этих результатов означает, что толщина плиты из карбида бора должна быть больше, чем первоначально ожидали, чтобы защищать от этих плотных сердечников снарядов с высокой скоростью. Имеется много данных, которые показывают, что карбид бора является хорошим керамическим материалом для использования против стальных бронебойных снарядрядрядов.

Кремния

В последние годы другие керамические материалы также показали значительную перспективу в обеспечении защиты от огнестрельного оружия, но ни один из них не оказался более эффективным, чем подверженные горячему прессованию образцы карбида кремния, которые производятся фирмами США, такими как BAE Systems и CeradyneInc. Фирма Ceradyne, в частности, имеет длинную родословную в производстве керамических плиток для применения с целью защиты, будучи влееченной в этотенной врот протссс с 1960-if годов. Этот материал производится под объединенными нагревом и давлением, чтобы изготовить невероятно прочное изделие, которое, как доказано, обеспечивает высокое сопротивление пробиванию боеприпасами стрелкового оружия, а также Nenmарядами apfsds. Во время изготовления обычно достигаются температуры примерно 2000°С.

Карбид кремния, в частности, показал невероятное сопротивление пробиванию, вызванному явлением, известным как задержка во времени. Говоря просто, «задержка во времени» это, когда снаряд, кажется, буквально сидит (отсюда «задержка») на поверхности керамики некоторое время после удара. Это явление, которое можно видеть при использовании технологий высокоскоростной фотографии и вспышке рентгеновского луча, вызывается главным образом тем, что керамика представляется более прочной, чем снаряд, и, следовательно, снаряд начинает течь радиально по поверхности керамики. Хотя это явление наблюдалось в начале 1990-х лабораториями сухопутных войск США, ученые все еще пытаются разъяснить механизм, которым оно поддерживается в керамике. Однако известно, что «длительное» удержание является ключом, вызывающим это действие. Одним способом, которым этого можно достичь, является использование типа горячего прессования для капсулирования керамики помощью металллличеталадок. Следствием этого процесса является вызывание высоких сжимающих напряжений в керамическом материале посредством теплового рассогласования металлических и керамических слоев при охлаждении. Эта предварительная нагрузка в конечном счете обеспечивает керамике преимущество. Второе преимущество обеспечивается окантовкой керамического материала металлическими накладками и увеличением возожножни выдержжжжжввать NUMGогочисленныя попаданни. Это ограничение действует для сохранения всех осколков в едином объеме и, следовательно, увеличивает эрозийную спостть брони б доптельных выстрах.

Относительно недорогой карбид кремния может производиться также посредством процесса, известного как соединение реакцией. Этот процесс обеспечивает точный размер керамического изделия, тогда как другие традиционные методы обработки не позволяют получить этого из-за высоких температур и давления. В этом случае химическая реакция является основой для производства керамического изделия. Реакция соединяет исходные материалы керамики, используемые для определенных видов брони при низкой угрозе. Однако часто в структуре керамики откладываются побочные продукты в форме «пудлинговых криц», которые могут образовать слабые места в в керамике. Для карбида кремния, полученного соединительной реакцией они принимают вид кремния - относительно мягкого материала.

реакциеа ий кремния, среченногооогоОбя иремнида и каремида и каремнида и каремида и

²

Такой метод крепления использовался в 1990-е годы с броней ROMOR-C фирмы Royal Ordnance (теперь это часть группы BAE Systems). Эта броня состояла из слоев керамики из оксида алюминия, приклеенных к GFRP(стеклопластиковой)/алюминиевой . Обнаружено, что этот тип соединения, который используется в производстве брони такой конструкции, является вполне решающим, и замечено значительное снижение характеристик, если производитель не использует правильный клей. Обычно желательна хорошая прочная связь, которая не допускает никакого скольжения между задней поверхностью керамики и конструктивным элементом, с которым она соединена. Хотя какая-то работа, направленная на совершенствование качеств клея и производилась, она имела относительно малый успех. Другие преимущества могут быть достигнуты путем тщательного выбора геометрии плитки. Например, шестиугольные плитки удовлетворяют требованиям (см. систему LAST), так как они сводят до минимума разрушительKные дЕйя грАНиц. Недавно научно-техническая лаборатория министерства обороны Великобритании запатентовала шестиугольный элемент для исользования в мозаичной комононононононононооМни Этот особый элемент имеет выступы, которые отделяют его от соседних, предотвращая, таким образом распространение "Renдаиния» (уударной вололо броне.

Предотвращение распространения ударной волны от плитки к плитке не является новой идеей и фактически некоторые будут утверждать, что она уступает разумному решению Советского Союза вставлять керамические сферы в башни его танков. Одной из более успешных систем брони, в которых используется этот метод, является легкая усовершенствованная броня, защищающая от поражения огнестрельным оружием (LIBA), разработанная фирмой Mofet Etzion Ltd (Израиль). Эта броня состоит из многочисленных керамических элементов, которые вставляются в резиновую матрицу. Эта броня может производиться так, что она обеспечивает защиту от 14,5-мм бронебойно-зажигательных (API) боеприпасов, и имеет дополнительное преимущество, заключающееся в том, что отдельные элементы могут быть заменены после их повреждения. Панели сохраняют также определенную степень гибкости и для более низких уровней защиты могут составляться почти в ююбоой форме. Следовательно, она может использоваться для защиты личного состава (в бронежилетах), где, как утверждают, она обеспечивает лучшую защиту от многих попаданий благодаря своей многосегментной конструкции. Ее использование распространяераняераняераняераняераняераняераняераняекжиет бронированные Машины. Она использована на машинах Stryker сухопутных войск США, находящихся на вооружении в Ираке и Афганистане.

Другие новые методы в разработке брони включают использование того, что известно как материалы, сортируемые по HavункиинальNEKможножнножть (FGM). Первоначально они исследовались в конце 1960-х годов и в последние годы опять вызвали интерес. FGM является единой структурой, которая максимизирует преимущества керамики тем, что поверхность удара будет твердой, а задние слои будут металлическими и, следовательно, обеспечивают хорошую пластичность и ударную вязкость. Это метод разрушителя/поглотителя, который мы ранее рассматривали. Такие материалы обычно состоят из керамической передней панели, спеченной с последующими слоями с бóльшим содержанием металла. Металлокерамические разрушающие слои могут так же использоваться в качестве наружных (передних). Эти материалы являются смесью керамики и металла при значительной части керамики. Например, лаборатории сухопутных войск США провели эксперименты с моноборидом титана, который уплотнен как металлокерамика и состоит из семи слоев, каждый с более высоким содержанием титана по мере того, как образец рассмается отерередней пй (повераности удара). Задняя поверхность состоит из чистого титана. Броня из алюминиевого сплава с облицовкой материалом FGM обеспечила лучшую защиту от 14,5-мм снаряда В32 по сравнению с катаной гомомогенной броней (RHA). Потенциальным преимуществом этих материалов является то, что они могут обеспечивать лучшую защиту от многих попаданий, чем сама керамика, однако современные данные говорят, что их характеристики все еще ниже характеристик более обычерхкиатерх материабатериалв.

²

В эти дни существует много вариантов керамических плиток для приобретения систем личной защиты и полных комплектов защитной брони для легких боевых бронированных машин. Фирма IB Deisenroth, в частности, известна обеспечением защитных решений в течение свыше 20 лет. Ранним примером применения ее брони является система MEXAS (модульная, поддающаяся изменению система брони), устанавливаемая на канадские БТР М113 для действий в Боснии. Представители фирмы установили также подобную систему на разработанную фирмой Mowagмашину LAV III (8х8), опять же для канадских сухопутных войск. В обоих этих примерах броня из керамических плиток MEXAS была успешно установлена снаружи металлических корпусов машин. Эта броня установлена также на боевую машину Stryker США для обеспечения защиты от 14,5-мм бронебойных пуль, хотя в сообщениях говорится, что она не устанавливается на машины во время мирной боевой подготовки, так как она добавляет к Массс машины 3 т.

Несмотря на высокие характеристики керамических материалов они не должны рассматриваться как единственный магазин магазинов по обслуживанию систем защиты. Они являются все же паразитическими по природе и, следовательно, не могут сделать существенный вклад в конструкцию машины. Причиной этого являются их неспособность выдерживать усталостную нагрузку на конструкцию и, не в меньшей степени, трудность производства керамических деталей сложной формы. Кроме того, они обладают пониженной способностью выдерживать многие попадания по сравнению с другими материалами, такими ктакаль, ти илюмининий. При использовании металлов действие пробивания ограничено областью до одного-двух калибров от точки удара, а при использовании керамических материалов это действие распространяется на всю геометрию пластины, какой бы большой она н была. Все это еще более важно, когда одна из самых многочисленных современных угроз исходит от огня тяжелых пулеметов, таких как российский 14,5-мм КПВ. Из этого оружия многие сотни пуль могут быть выпущены по выбранному месту за минуты и, следовательно, в этих случаях требуется хорошая способность выдерживать многочисленные попадания. Однако керамические материалы обеспечивают преимущества там, где вероятны лишь одиночные попадания, например, в самолетах и в применениях тяжелой брони. В результате керамические материалы широко использовались в сиденьях экипажей и полах бронированных вертолетов и транспортных самолетов. Например, фирма ВАЕ Systems разработала монолитное ковшеобразное сиденье для летчика вертолета UH-60M, изготовленное с исользованиемем керамическирчрх материалов. Подобные сиденья были изготовлены с использованием карбида бора и опоры из материала Kevlar для вертолета АН-64, а также самолета с-130. Использование керамической брони для сидений экипажа стало почти принятым методом защиты экипажа и обеспечило керамике одно из первых направлений в военном использовании – вылеты вертолетов во Вьетнаме.

Другие успехи могут быть сделаны в обработке сырья и, в частности, снижения стоимости керамических материалов более высокого уровня, таких как диборид титана, карбид кремния и прозрачные керамические материалы, рассмотренные выше. Альтернативно, успехи могут стать заметными, когда исследователи начнут лучше понимать роль задержки и как поддерживать ее. Или могут фактически появиться методы лучшего соединения, что обеспечит возможность соединять керамику с Меской опорой беззользеания полиме кллеев. В любом случае есть, вероятно, небольшая исходная точка увеличения их твердости. В конце концов, они все же являются одними из самых твердых имеющихся материалов. И значительно тверже снарядов, которые они разрушают.