В настоящее время существует непрерывно возрастающая потребность в более легких i меньших по габаритам боевых бронированных системах. Ожидается, что боевые бронированные машины будут легче и меньше по габаритам благодаря повышенным требованиям к лучшей стратегической мобильности. 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 границей, где основная угроза представлена знач ительным распространением тяжелых пулеметов (НMG) или выстреливаемых с упором в плечо противотанковых средств w РПГ. Эту unkcje часто усббляю политические и (или) оеративнне треб John зования легких боевых бронированных машин, в основном колесных, которые е п ко консczeń довольно низким уровнем броневой защиты от онестрельного оржия (оind о 7,62 -мм оружия). В связи с таким положением возникает требование к производству брони, обеспечивающей лучшую защиту ли чного состава при одновременном сведении до минимума ее полной массы.
Хорошая защита в сочетании с малой массой играет важную роль в собственной защите личного состава, об это м знает любой солдат, ведущий боевые действия в Ираке или Афганистане. Взять, например, личный бронежилет (IBA) сухопутных войск США. Первоначальная его концепция состояла из верхнего тактического жилета (OTV) и двух носимых керамических в ставок, спереди и сзади защищающих солдата от поражения стрелковым оружием (SAPI). Однако из-за серии смертельных случаев в Ираке i Афганистане в IBA был внесен ряд дополнений. Самым значительным из них была боковая защита от огнестрельного оружия (ESBI), осуществленная улучшенным i боковыми вставками, а также расширенная защита с дополнительными приспособлениями, закрывающими плечи. Для этой цели были использованы пластины SAPI i ESBI, которые обеспечивают лучшую защиту от винтовочны х пуль с высокой начальной скоростью. Этот уровень улучшенной, но легкой защиты был достигнут только при использовании керамических материалов .
Рисунок 1 – Эта керамическая пластина SAPI, часть
бронежилета, спасла жизнь своему владельцу в Ираке.
Рисунок 2 – Новый бронежилет, обеспечивающий защиту уровня 4,
испытывается представителями научно-исследовательской лаборатории ВВС
na stronie internetowej Wright-Patterson, шт. Огайо. Этот бронежилет включает новую форму керамических пластин, которые могут выдержать больше
ударов пулями, чем современные пластины, кроме того,
on имеет защитные устройства для бицепсов и ребер.
Рисунок 3 – Пластины, вставляемые в бронежилет,
находятся в массовом производстве фирмой Ceradyne.
Основные соображения по керамической броне
Большинство людей ассоциируют слово «керамика» с глиняной или фаянсовой посудой, которую они используют д ома, или кафелем, используемым на стенах ванной комнаты. Керамические материалы использовались в домашних условиях тысячелетиями, однако эти материалы стали начало м керамических материалов, которые применяются в настоящее время в боевых бронированных машинах.
Слово «керамика» обозначает «обоженные вещи» i фактически современная машиностроительная керамика, подобно св оим двойникам на базе глины, требует для своего производства значительного нагрева. Однако главной разницей между керамикой, которую мы выбираем для использования в качестве брони, и керамико й, которую мы находим дома, является прочность. Современные броневые керамики являются очень прочными материалами и фактически при сжатии они могут ь значительно прочнее, чем имеющиеся самые прочные стали (см. Табл. 1). Это полезное свойство используется для брони, в которой снаряд или кумулятивная струя прилагают сжимающ ую нагрузку на материал. Керамики, конечно, имеют «Ахиллесову пяту». Они сабы на растяжение и, следовательно, они сосоund ыдерживать только чоченоиииśmy до разршения), как показывает таблица 1. ээ оindowe тся локализованныы силам растяжения, являются иом катаros Это тип разрушения, с которым мы знакомы очень хорошо при падении обеденной тарелки на пол кухни. Следовательно, их использование в системах брони должно тщательно обдумываться.
Таблица 1 – Некоторые свойства броневых керамик по сравнению с катаной гомогенной броней (RHA)
| RHA | Oksid aluminicja (высокой чистоты) | Karbid krem | Диборид tytana | Karbid bora | |
| Объемная плотность (кг/м3) | 7850 | 3810-3920 | 3090-3230 | 4450-4520 | 2500-2520 |
| Модуль Юнга (Гпаскаль) | 210 | 350-390 | 380-430 | 520-550 | 420-460 |
| Твердость (VHN*) | 300-550 | 1500-1900 | 1800-2800 | 2100-2600 | 2800-3400 |
| Удлинение до разрушения (%) | 14-18 | < 1 | < 1 | < 1 | < 1 |
| *VHN = число твердости по Виккерсу | |||||
Керамики в броневом применении работают в значительной степени как элементы устройства разрыва в конструкции мно гослойной брони. Целью этих материалов в конструкции многослойной брони является разрыв на осколки подлетающего снаряда и ли быстрое ослабление его. Другими словами, кинетическая энергия снаряда рассеивается броневым материалом разбивая снаряд на осколки и перенацеливая энергию получающихся в результате осколков в сторону от защищаемой конструкции. Другие элементы в многослойной конструкции будут действовать как «поглотители», то есть они поглощают kinети ческую энергию снаряда за счет пластической деформации или расслаивания, таким образом превращая еее в более низкую форму энергии, такую как теплота.
Рисунок 4 – Механизм поражения пробиванием плиты
композитной/гибридной брони.
Большинство систем брони оптимизировано для «разрыва» i «поглощения» кинетической энергии подлетающего сре дства угрозы. Tak, возьмем 7,62-мм/39 пулю АК-47. Примерно 6 мм подходящей керамики, связанной с полиамидной тыловой стороной, такой как Kevlar, было бы дстоато чно, 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 попере чного сечения снаряда) и, следовательно, уменьшает пробивную способность.
Начало первого исследования в оindowe й мировой войны, когда в году майор невиgarów еной на подвергающююся удару сорону chwili увеличивало ее защитные возможности. Несмотря на это раннее открытие, применение керамических материалов является относительно недавним способом вышения защитных свойств в таких странах, как Великобритания. Однако этот способ нашел широкое использование в Советском Союзе и военнослужащими США во время вьетна мской 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), испо льзуемым в бронированных сиденьях пилота и второго пилота. Сиденья обеспечивали защиту от 7,62-мм бронебойных (АР) боеприпасов снизу, с боков и сзади благодар я использованию облицовки из карбида бора и основания из стекловолокна. Карбид бора является одной из самых легких керамик, которые могут использоваться в броне (и по хороше й причине). Он имеет примерно 30 % от массы стали того же объема и в то же время величину твердости, которая обычно в шесть раз больше твердости катаной гомогенной броневой стали (см. Табл. 1).
Рисунок 5 – Сиденья вертолетов являются типичным примером применения
керамической брони. Nazwa: сиденья вертолетов TIGER (фирма BAE Systems Advanced Ceramics Inc.), AH-64 APACHE, в котором используется
карбид бора жесткого прессования (фирмы Simula Inc.)
i MH-60 BLACKHAWK (firma Ceradyne Inc.).
Конфликт, конечно, дал подъем новым идеям, а необходимость защитить экипажи вертолетов привела к обширн ым исследованиям. Именно эта работа, выполненная учеными США в 1960-е годы, создала базу для совершенствования в настоящее время характеристик керамической брони.
Механизм воспрещения пробивания преграды снарядом
Прежде чем углубиться в изучение современных успехов в технологии керамической брони, полезно рассмотрет ь механизмы, за счет которых система на базе керамики способна разрушать снаряды. Ранняя работа М. Ł. Уилкинза и его коллег из лабораторий США создала основу для понимания того, что фактически происходит, когда пуля стрелкового оружия наносит удар по цели с керамическим покрытием.
В момент удара ультразвуковые волны нагрузки распространяются в керамику и вдоль сердечника пули. Волны в обоих этих материалах разршаются, длярамики это саноит przykład оерхностюю раздела или на самом деле со сзющим слоем между керамикой и еащитныщ ллем. Большинство типов керамической брони в настоящее время создается при использовании связующе го материала, который по своей природе имеет низкую жесткость и плотность. На поверхности раздела керамики/связующего материала происходит сильное sластичное отражение, котороет materiał keramiczny. Кроме этого, происходит сильная сдвиговая волна, которая буквально «расстегивает как молнию» полимерный свя зующий 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 чаев, распространяет нагрузку от пули по более широкой площади поверхности (см. рис. 6).
Рисунок 6 – Модель ANSYS AUTODYN-2D, показывающая образование
конуса нагрузки в керамике под пробивающей пулей. Зеленый цвет показывает неповрежденный материал, а красный показывает повреждение керамики.
Голубые области показывают неупругую деформацию; możno obejrzyj,
что пластическая деформация задней плиты происходит как раз
под образуемым нагрузочным конусом керамики.
Это первое преимущество, которое обеспечивается керамикой. Как же поминалось, керамика ччень тверарарая эта ысокая тверость обесаечивает соormy проби Zrzędu. Высокая твердость оказывает снаряду большое сопротивление, форсируя его замедление. Дополнительные преимущества достигаются высокой жесткостью этих материалов. Машиностроительная керамика обычно в два раза жестче стали; жесткость увеличивает свойство, называемое акустическим сопротивлением, которое воздействует на inтенсивность сверх звуковой волны, воздействие которой направлено назад по стержню снаряда. Это очень важно, так как керамика с высоким акустическим сопротивлением приводит к высокой интенсивности воздейв ия 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. Разгадкой здесь является охрупчивание (хрупкое противодействие) материала. Когда кумулятивная струя проникает в керамику, она разбивается на очень мелкие осколки в ограниченном для матери ala проникающей струи районе. Следовательно, каверна, которая образуется под воздействием кумулятивной струи, является относительно бесформ енной 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 с равнивать со сталью. Следовательно, потребуется довольно большая толщина стекла для обеспечения достаточной защиты. Оконное стекло толщиной 3 мм не устоит против струи гранаты РПГ-7!!
Однако интересная концепция была предложена на 13-ом европейском симпозиуме по боевым бронированным ма шинам (AFV), проводимом университетом Cranfield University w военной академии Великобритании (30 kwietnia–2 maja 2008 r.). В вемя ээого симпозиуа пRраесор манфред хелд (изобретатеrób зрачной зрыыnią реактивной брони (era), то forSс, брони ery, в корой в кесa маиы///łowie маитыa стекло. Если бы использовалась прозрачная взрывная жидкость вместо обычных составов РВХ, можно было бы п роизводить полностью прозрачную систему ERA. Одако, как подчеркнул unkier песор хелд, эта сисety жна ыть чень толстой и достаточно жесткой, так чч она ненейействова służby ует зрыыатое весество ззрывной защиты. Толщина неподвижной задней плиты должна быть порядка 150- 200 мм по сравнению с 10- 20 мм передней прот иводействующей плиты.
Керамические материалы обладают также хорошим механизмом упрочнения при нанесении удара при высоких скоростях поражающих элементов. Это особенно полезное свойство при воздействии кумулятивной струи, так как прочность керамики, в этом случае, начительно 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 пораж ающих элементов типа «ударного ядра» (EFP). Недавно боевые части на базе EFP привлекли серьезное внимание благодаря использованию их повстанцами в Ирак е, имеющими значительные запасы противотанковых min советской эпохи, в которых используются элемент ы EFP. Обычно оболочки таких зарядов делаются из пластичных металлов, например, низкоуглеродистой стали меди . Получающийся в результате подрыва поражающий элемент состоит в этом случае из деформированного куска ме tallla, очень эфективного благодаря высокой скорости, однако эти элементы относительно мягкие. В более усовершенствованных элементах EFP используется tantal (очень дорогой материал из-за его использов aniя в мобильных telефонах). Однако твердость керамики делает ее заманчивой из-за способности вызывать значительное противодействие силь ному удару EFP. Одним из примеров керамической брони для защиты от EFP является плита, устанавливаемая на некоторых под днищем для защиты от мин.
Рисунок 7 – Компоненты керамической брони фирмы Coors-Tek
для применения в броне машин.
Рисунок 8 – Машина BULL claсса MRAP II, разработанная фирмами Oshkosh
и Ceradyne, отличается большим использованием керамической брони для
обеспечения защиты от зарядов типа «ударное ядро».
Керамические материалы для применений на поле боя
Оксид алюминия
В 1980-е годы в большинстве систем защиты на основе керамики, которые использовались на поле боя, употребл ялся оксид алюминия, известный иначе как глинозем (tlenek glinu). Оксид алюминия относительно недорогой в производстве i даже довольно тонкие элементы защиты на его базе м огли остановить пули стрелкового оружия, выстреливаемые с высокой скоростью. Как отметил w 1995 году С. Дж. Rozbudowane i firmy Advanced DefenceMaterials Ltd, имеются улучительные улучшения характеристик систем защиты при использовани и оксида алюминия по сравнению с другими керамическими/композиционными материалами. А при использовании систем с карбидом кремния i карбидом бора дополнительная баллистическая характеристика мала при значительных дополнительных затратах. Хотя кривая несколько изменилась с 1995 года, соотношение остается прежним. Существует оптимальное по высокой стоимости решение для относительно небольшого улучшения баллистической charakterystyka. Однако преимущество добавленной защиты от огнестрельного оружия (хотя и небольшой) может быть заманч ивым, если требуется минимальная масса, например, в самолетных или личных (индивидуальных) системах защиты.
Рисунок 9 – Поверхностная плотность различных типов материалов,
требуемая для защиты от 7,62-мм бронебойных пуль,
по сравнению с их относительной стоимостью.
Оксид алюминия широко используется в системах индивидуальной защиты личного состава, а takже в системах за щиты машин. В Великобритании первая система защиты для личного состава массового производства, в которой использовалис ь керамические плиты, была введена в Северной Ирландии. Базовая мягкая система защиты, известная как боевая личная броня (СВА), является составной и состоит из основного элемента из найлонового i полиамидного волокна, к которому могут добавляться 1-кг плиты из компо зиционного материала с полиамидным волокном, облицованные керамикой для обеспечения защиты сердца и основн ых органов от высокоскоростных винтовочных пуль (см. рис. 10). Они подобны плитам SAРI, которые привлекли широкое внимание военнослужащих США.
Рисунок 10 – Боевая личная система защиты (СВА),
показан карман для вставки керамической плиты.
Рисунок 11 – Процесс задержки сердечника пули АРМ2 из
закаленной стали плиткой оксида алюминия на стальном основании.
Карбид бора
Несмотря нкономическюю эфеективносczeń носительно хорошей ээективности по массе, сой путь на рынок керамическ samowie Самым известным является карбид бора – материал, который впервые использован в 1960-е годы. Оневероятно тверый, но также невероятно дорой и поэтомных уenia елательно компенсировать несколько грам массы броневой структуры, например, как в сиденьula са ажажажамамеа 22 к как в сиденьula 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 рдечником и содержала в себе комплект «тупой травмы». Тупая травма происходит, когда защита не пробивается, но передача импульса удара вызывает большую деф ормацию в слое опоры, ведущую к ушибам, серьезным травмам основных органов и даже смерти.
Карбид бора производился фирмой BAE Systems Advanced Ceramics Inc. (официально Cercom) i integрировался w виде вставок, защищающих от ре лкового оружия (SAPI), в систему личной защиты-бронежилет (IBA). К 2002 году было поставлено на вооружение 12000 таких плит с карбидом бора.
Рисунок 12 – Новый процесс формирования карбида бора, разработанный
instiтутом технологии штата Джоржия, позволяет создавать сложные
изогнутые формы для использования в касках и других элементах
личной защиты. На снимке показана опытная каска малого масштаба.
Карбид бора является материалом в высокими характеристиками. Однако кроме невероятной твердости, которой обладает этот материал, и его невероятно низкой плотности, он имеет о din потенциальный недостаток. В последние годы есть некоторые основания предполагать, что он не будет действовать так хорошо, как ожида ют, при пробивании высокоскоростными пулями с плотным сердечником. Это, как полагают, обусловлено физическими изменениями, которые происходят с материалом, когда он подверг ается сильному удару, вызываемому этими боеприпасами. Фактически пи испытании ноlektora Laetra соjed миния. Это несмотря на бólьшую твердость карбида бора. Обнаружено также, что когда карбид бора связан слоистым пластиком, армированным волокном, происходит явлени е «разрушения промежутков». Это происходит там, где обнаруживается двойная скорость V50 (скорость, при которой ожидается, что 50 % снарядо в полностью пробьют цель). Раскрытия (действия) двойной скорости V50 обычно объясняются переходом от пробивания цели неповрежденн ым 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 осколков керамики. Тем нене powierzchnia, ыывод из эих резльатов ознае, чо толщина п POŁUDNIK жидали, чтобы защищать от эих плотных сердечников снаряrawa ы ыыокой скоростюю. Имеется много данных, которые показывают, что карбид бора является хорошим керамическим материалом для и спользования против стальных бронебойных снарядов.
Рисунок 13 – Рентгеновский снимок, показывающий временные данные
воздействия 7,62-мм сердечника пули АРМ2 na карбид бора. Przypadki:
задержка, проникновение за счет эрозии, осколки пули и поглощение.
Карбид кремния
Послениniej годы друие кераческие материаboin го оржия, но ни оин из них не оказался более ээективныы, чем подвеннentów орые Rtyзизводят przykład фирмами шш, такими как Bae Systems и Ceradyneinc. Фирма Ceradyne, в частности, имеет длинную родословную в производстве керамических плиток для применения с целью за щиты, будучи вовлеченной в этот процесс с 1960-х годов. Этот материал производится под объединенными нагревом и давлением, чтобы изготовить невероятно прочное и зделие, которое, как доказано, обеспечивает высокое сопротивление пробиванию боеприпасами стрелкового оружия, tak samo jak 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 повер хности керамики некоторое время после удара. Это явление, которое можно видеть при использовании технологий высокоскоростной фотографии и вспышке рент геновского 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 пыт аются 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 ка псулирования керамики с помощью металлических накладок. Следствием этого процесса является вызывание высоких сжимающих напряжений в керамическом материале средством 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 во зможности выдерживать многочисленные попадания. Это ограничение действует для сохранения всех осколков в едином объеме и, следовательно, увеличивает эрозийну ю способность брони при дополнительных выстрелах.
Относительно недорогой карбид кремния может производиться также посредством процесса, известного как соедин ение реакцией. Этот процесс обеспечивает точный размер керамического изделия, тогда как другие традиционные методы обраб отки 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 угр zdjęcie. Однако часто в структуре керамики откладываются побочные продукты в форме «пудлинговых криц», которые могут образовать слабые места в керамике. Для карбида кремния, полученного соединительной реакцией они принимают вид кремния - относительно materiał.
Рисунок 14 – Микроскопическая структура (сверху вниз): связанного
реакцией карбида кремния, спеченного карбида кремния i карбида бора.
Рисунок 15 – Новая гусеничная боевая машина PUMA является одной из
нескольких машин, которые защищены элементами керамической брони SICADUR (карбид кремния) фирмы CeramTec-ETEC. Twoja maszyna
находится на вооружении германских сухопутных войск.
Nowe materiały kompozycyjne
Другие керамические материалы, например, нитрид кремния i нитрид алюминия показали относительно перспек тиву в деле производства керамической брони.
Имеются сообщения, что нитрид алюминия был принят на некоторых бронированных машинах, однако их го. Нитрид алюинияdze яnią странны материалом, эта странносczeń х удара (о_NAдаает ысокой сойкостюю), оniąono пgan балист John относительно низкой стойостюю.
Керамический материал с карtoś оогой и довольно плотный (номинально весть раз плотне карunk ротивление удару. Это последнее свойство является главным используется в защитных устройствах (системах) для возбуждени я в стержне пули напряжений большой амплитуды, что в конечном счете приводит к его разрушению. Полагают, что только оNAъектам с относительно тонкой броневой защитой, треtoś ми (ар) боеodziennejrozdy, такой материал может оine 6. са не является оRowejerski PRIMющ.
Materiały proszkowe
В последние годы проведена значительная работа по поиску альтернативы пулестойким системам остекления, котор ые используются (в качестве ветрового стекла) на таких машинах, как Humvee. Современные традиционные прозрачные системы являются относительно тяжелыми, особенно, когда они требуютс я для защиты больших секций (окон). Это вызывает проблемы при разработке защиты легких машин. Традиционно системы остекления таких машин состоят из нескольких слоев стекла, каждый из которых отделен полим ерным слоем и удерживается поликарбонатным слоем. Эти типы систем могут иметь массу до 230 кг/m2при толщине 100 мм для обеспечения защиты уровня 3 по стандарту STANAG Poziom 3 (от 7,62-мм пуль). Стекло для окна размера машины Toyota LandCruiser i толщиной 100 мм составляет массу примерно 250 кг плюс стальные пазы нео бходимой толщины для его установки. Общая масса полной системы должна быть, вероятно, значительной.
Прозрачные керамические материалы обеспечивают заманчивую альтернативу пулестойким системам остекления, tak ка к эти материалы имеют присущую им твердость, которая гораздо больше твердости оконного стекла. Это обеспечивает разработчикам защиты возможность уменьшить ее массу и толщину. В настаще время сществют три жизнеспо варианта материала для илзз тся оксинитрид алюиниala илиbu alon, алюомагнезиальная шшинель или шиноаль и оaraокрисczeń
Кксинитри czy ююииниala или alon может ыы полчч в качестве €ga ских маршрутов, которые исполззюются для полчения оind ычной непрозрачной машинострои więc Обычно ALON будет производиться из предварительно синтезированного порошка, которому затем может придават ься форма и который потом может спекаться в азотной атмосфере.
Рисунок 16 – Этот испытательный кусок прозрачной брони,
изготовленный из ALON, выдержал удар 7,62-мм пули.
Шпинель может быть поучена путем уплотнения коммерчески доступного порошка либо путем горячего прес сования, либо путем спекания без давления. Кроме того, для улучшения механических свойств и прозрачности требуется горячее изостатическое прессовани е образца. Этот процесс включает одновременное применение к образцу равномерного давления газа и нагрева. Основным преимуществом по сравнению с одноосевым горячим прессованием является то, что давление применяетс я одинаково во всех направлених, а не просто в одном направлении. Результатом этого являются бólьшая однородность материала и микроструктуры без преимущественной ориентац ии, что приводит к более высоким прочности и прозрачности.
Рисунок 17 – Многочисленные попадания 7,62-мм/54R пулями Драгунова
в прозрачную керамическую броню АМАР-Т фирмы IBD.
Рисунок 18 – Сверхлегкая защита AMAP-R плюс защита
от поражающих элементов типа ударное ядро (EFP).
В настоящее время эти три керамических материала являются дорогостоящими в производстве, а это значит, что их использование все еще резервируется для очень малых областей использования. Однако германская фирма IBDeisenroth Engineering продолжает развивать тип технологии разработкой своего ряда изделий АМАР (перспективной модульной броневой защиты). В своем изделии АМАР-Т, где Т означает прозрачная, фирма использует прозрачные керамические материал ы для повышения защиты до уровня 4 по стандарту STANAG. Эти данные означают, что этот тип защиты сможет успешно остановить многочисленные удары с близкого рас стояния 7,62-мм/54R бронебойными боеприпасами Драгунова со стальным сердечником. Достижение защиты уровня 4 na STANAG с помощью прозрачной брони является впечатляющим при нали чии угрозы нанесения удара 14,5-мм/114 пулей В32 с расстояния 200 m при скорости 911 м/с.
Nowe rozwiązania
В отличие от средств защиты для личного состава (бронежилет) броня машин не ограничивается потребностью в gibikosty; скорее обычно желаемыми качествами являются способность выдерживать многочисленные попадания и обесп ечить ремонтопригодность. Ранние способы использования керамических материалов включали заделку керамических сфер в переднюю часть отливок башен советских основных боевых танков для обеспечения отклонения и эрозии бронебойного снаряд a. Это занятие интеграцией продолжалось с некоторыми танками Т-72 i Т-80. Однако большинство керамических систем изготавливалось как дополнительный комплект, то есть, система элементов брони, которые могли крепиться к корпусу машины. Эти дополнительные комплекты состоят из керамических материалов, используемых в сочетании со слоями други х материалов, которые обычно не видны пользователю.
Одним таким примером является система LAST (техника легкой дополнительной системы), которая использовалась морско й пехотой США на машинах LAV (8х8). Система брони LAST состоит из шестигранных модулей керамической брони, которые крепятся к корпусу машины с помо щью клея, склеивающего при надавливании. Плитки могут укладываться (слоями) для повышения уровня защиты, затем может применяться баллистическа я обшивка для управления сигнатурой. Ыыи разработаны поcyd оNAзцы, в которых иS ртах машин селюю снижения сложности работ на татре военных действий (в б tyle
Такой метод крепления использовался в 1990-е годы с броней ROMOR-C фирмы Royal Ordnance (теперь это часть группы BAE Systemy). Эта броня состояла из слоев керамики из оксида алюминия, приклеенных к GFRP(стеклопластиковой)/алюминиевой констру кции. Обнаружено, что этот тип соединения, который используется в производстве брони такой конструкции, являет ся вполне решающим, и замечено значительное снижение характеристик, если производитель не использует правил ьный клей. Обычно желательна хорошая прочная связь, которая не допускает никакого скольжения между задней пов ерхностью керамики i конструктивным элементом, с которым она соединена. Хотя какая-то работа, направленная на совершенствование качеств клея и производилась, она имела относительно мал ый 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 разрушит ельные действия границ. Недавно научно-техническая лаборатория министерства обороны Великобритании запатентовала шестиугольный элем ент для использования в мозаичной компоновке. Этот особый элемент имеет выступы, которые отделяют его от соседних, предотвращая, таким образом распростране ние «повреждения» (ударной волны) по броне.
Предотвращение распространения ударной волны от плитки к плитке не является новой идеей i 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 усовершенство ванная броня, защищающая от поражения огнестрельным оружием (LIBA), разработанная фирмой Mofet Etzion Ltd (Hiszpania). Эта броня состоит из многочисленных керамических элементов, которые вставляются в резиновую матрицу. Эта броня может производиться так, что она обеспечивает защиту от 14,5-mm бронебойно-зажигательных ( API) боеприпасов, и имеет дополнительное преимущество, заключающееся в том, что отдельные элементы могут б ыть заменены после их повреждения. Панели сохраняют также определенную степень гибкости и для более низких уровней защиты могут составлятьс я почти в любой 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 распространяется также на легкие бронированные машины. Она использована на машинах Stryker сухопутных войск США, находящихся на вооружении в Ираке и Афганистиане .
Рисунок 19 – Крупный план модуля брони LIBA (легкой усовершенствованной брони, защищающей от поражения огн естрельным оружием) израильской
фирмы Mofet Etzion, показаны открытые шарики керамической брони.
Рисунок 20 – Результаты испытания стрельбой плиты LIBA
убедительно демонстрируют способность материала выдерживать
многочисленные попадания.
Другие novые методы в разработке брони включают использование того, что известно как материалы, сортируемые по функциональным возможностям (FGM). Первоначально они исследовались в конце 1960-х годов и в последние годы опять вызвали inтерес. Fgm явается forSиной структурой, которая максимирует преимщества керамdr ие слои бдут мета Lub Lubłatę ии и и, следовательно, оjed Это метод разрушителя/поглотителя, который мы ранее рассматривали. Такие материалы обычно состоят из керамической передней панели, спеченной с последующими слоями с бólь шим содержанием METалла. Металлокерамические разрушающие слои могут так же использоваться в качестве наружных (передних). Эти материалы являются смесью керамики i metalla при значительной части керамики. Наunking %, лаборатор zaszczar состоит из семи слоев, каждый с болеy ысоким содержанием титана по ерnią ) 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 гомогенной броней (RHA). Потенциальныыыыыыыыыыыaи</s>еством эих материаловłat аа керамика, однако совремеjer данные говорят, ческих материаboR.
Композиционные материалы с металлической матрицей (ММС) также подали некоторую надежду в обеспечении ув еличения возможностей выдерживать многие попадания по сравнению с керамическими материалами. Один такой образец предлагает фирма Exote Oy. Она произвела композиционный материаboR метатаческой матрицeli фирыы, обеспечивает зону повреждения, которая л на 20-30 % болшшш площади поперечного сечениula. Комицион któregoś ниfe с оormraы материалом, либо со сталюю, алюинием, л) При ударе конус (рассмотренный ранее) распространяет нагрузку снаряда по относительно большой площади поверхно sti, снижая таким образом плотность кинетической энергии, действующей на опорный материал. Твердые частицы карбида титана (~ 1500 VHN) разрушают снаряд, но благодаря относительно жесткой металлической матрице, в которую вставлены частицы, распространение трещин ограничено. Производители утверждают, что 7,62-мм – 51 мм пуля WC-Co может остановлена броней с конструкционной плотно стью изделия 52 кг/m2, которая создана композиционным опорным материалом с волокном из ароматического полиамида. Эти композиционные материалы с металлической матрицей могут производиться при использовании процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (SHS).
Рисунок 21 – Броня Exote фирмы Exote Oy разбивает пробивающий
снаряд и исключает поражение. Удар дробится и распределяется
по большей конусообразной поверхности, которая эфективно
поглощает энергию снаряда.
Коммерческие варианты
В эти дни существует много вариантов керамических плиток для приобретения систем личной защиты и полных ко мплектов 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), уст анавливаемая на канадские БТР М113 для действий в Боснии. Представители фирмы установили также подобную систему на разработанную фирмой Mowagмашину LAV III (8х8), опять же для к анадских сухопутных войск. В обоих этих примерах броня из керамических плиток MEXAS была успешно установлена снаружи металлических кор пусов машин. Эта броня установлена также на боевую машину Stryker США для обеспечения защиты от 14,5-мм бронебойных п уль, хотя в сообщениях говорится, что она не устанавливается на машины во время мирной боевой подготовки, так как она добавляет к массе машины 3 т.
Имеется также много поставщиков керамического сырья, хотя мы испытываем в Европе до некоторой степени о граниченные поставки материалов горячего прессования. Керамика горячего прессования имеет тенденцию быть прочнее и обеспечивать лучшую защиту от огнестрел ьного оружия и, следовательно, эти типы керамики заманчивы для создания брони. Однако спеченные керамические материалы, такие как Sintox FA firmy Morgan Martoc imeют длинную родословную в создании брони. Фирмы МОН-9, ЕТЕС, ВАЕ Systems, Ceradyne i CoorsTek также производят большой ряд видов керамических материалов обы чно от плит типа SAPI до плиток брони для машин и самолетов. Однако ключевым моментом разработки комплектов керамический брони является успешная интеграция их систему , которая защищается, и, более того, гарантия, что они надежны в боевых условиях.
Можно предположить одну проблему, которая беспокоит большинство командиров на поле боя, будет ли эта сист ма защищать солдата. Большинство может основывать свой опыт в отношении керамических материалов на том, что они видели на кухне пр i разбивании фаянсовой посуды. Но интересно, не говоря об обращении с керамической броней с помощью кувалды, большинство систем должно б ыть достаточно упругим, чтобы выдержать сильные удары или износ.
Оценка
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 конст рукцию maszyny. Причиной этого являются их неспособность выдерживать усталостную нагрузку на конструкцию и, не в меньше й степени, трудность производства керамических деталей сложной формы. Кроме того, они обладают пониженной способностью выдерживать многие попадания по сравнению с другими териалами, такими как сталь, титан и алюминий. При исползовании металлов действие пRривания ограбено оtoś нии керамических материаboR это деййтвие р MoRрространяczeń Все это еще более важно, когда одна из самых многочисленных современных угроз исходит от огня тяжел ых пулеметов, таких как российский 14,5-мм КПВ. Из этого оружия многие сотни пуль могут быть выпущены по выбранному месту за минуты и, в этих случаях требуется хорошая способность выдерживать многочисленные попадания. Однако керамические материалы обеспечивают преимущества tam, где вероятны лишь одиночные попадания, напр имер, в самолетах и в применениях тяжелой брони. В результате керамические материалы широко использовались в сиденьях экипажей и полах бронированных в ертолетов i транспортных самолетов. Например, фирма ВАЕ Systems разработала монолитное ковшеобразное сиденье для летчика вертолета UH-60M, изготовленное с использованием керамических материалов. Подобные сиденья были изготовлены с использованием карбида бора и опоры i з материала Kevlar для вертолета А Н-64, a takze самолета С-130. Использование керамической брони для сидений экипажа стало почти принятым методом защиты экипажа и о беспечило керамике одно из первых направлений в военном использовании – вылеты вертолетов во Вьетнаме.
Рисунок 22 – Задняя сторона толстой керамической плитки, которая
получила удар высокоскоростной пулей . В этом случае пуля
была полностью остановлена, однако повреждение
распространилось на всю площадь плитки.
Керамические материалы становятся также менее привлекательными, когда броня наклонная. Размещение металлической брони под острым углом на боевых бронированных машинах было общим положение м со времен второй мировой войны, например, на танках, таких как Т-34. Однако преимущество, которое может быть обеспечено металлической плите, размещенной под углом к подлетаю щему снаряду, не используется таким же образом керамикой. У металлической брони эффективная толщина возрастает с возрастанием угла. Следовательно, снаряд должен пробивать больше материала и одновременно подвергается изгибающей нагруз ке благодаря геометрии брони. Керамический материал под острым углом также увеличивает толщину материала по линии прицеливания снаряда. Однако когда снаряд входит в соприкосновение с броней, полусферическая волна исходит из точи удара, но отража ется в границу разделения между керамикой i опорным слоем в направлении, перпендикулярном границе разделения. Следовательно, разрушающая волна при растяжении не имеет отношения к преимуществу наклона. Bezpłatne действуют так хорошо, как думали или надеялись. Кроме того, они усиливают рикошетирование при больших углах наклона.
Будущее
Так куда могут пойти керамические броневые материалы? Для начала улчшчшеная сszczerniąziony ыыерживать мночисленныentów ия керамических материаboR в подящщ оind е уеншения разеров, как исползется в мозаичных конструкциях брони, или птем иS но более упругих карбидных материалов с прочной связью. Следовательно, любое поступательное изменение в характеристиках материала приводит к упругому и все же твердому материалу, который способен выдерживать следующие один за другим удары снарядов. К сожалению, в отношении керамических материалов имеется общее правил, чем тверже вы делаете материал, тем бол ее хрупким он становится.
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, рассмотренн tak jest. 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 металлической опорой без использования полимерных клеев. 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.
Czas publikacji: 03 września 2018 r