CC BY
181
Степанов Александр Сергеевич, канд. техн. наук, нач. отдела, a. s. stepanov@vniitf.ru, Россия, Снежинск, РФЯЦ-ВНИИТФ им. академ. Е.И. Забабхина
THE DEVELOPMENT OF А CHAMBER USING SCALE MODELING COEFFICIENT
D.V. Pachurinn, E.I. Zaikin, A.S. Stepanov, I.N. Gordeev
Currently, of great danger for civilian safety are terroristic explosive devices, chemical toxic agents and emergency munitions. The task of our institute is to develop a chamber with bearing capability increased up to 60 kg TNT equivalent.
Key words: specialized chamber, bearing capability, plasto-elastic deformation, scale factor of modeling.
Pachurin Dmitry Vladimirovich, engineer-designer, a.s.stepanov@vniitf.ru, Russia, Snezhinsk, RFNC- VNIITF,
Gordeev Ilya Nikolaevich, leader of design group, a. s. stepanov@,vniitf.ru, Russia, Snezhinsk, RFNC- VNIITF,
Zaikin Evgeny Igorevich, engineer-designer, a. s. stepanov@,vniitf.ru, Russia, Snezhinsk, RFNC- VNIITF,
Stepanov Aleksander Sergeevich, candidate of technical sciences, department head, a.s.stepanov@,vniitf.ru, Russia, Snezhinsk, RFNC-VNIITF
УДК 623.438.3
НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
ЛЕГКОЙ БРОНЕЗАЩИТЫ
И.А. Беспалов
Задача сокращения сроков проектирования средств защиты и расходов на их испытания является весьма актуальной. Расчетные методы не могут полностью заменить экспериментальную отработку защитных структур. Однако комплекс научно обоснованных инженерных методов расчетной оценки защитных свойств позволит выносить на испытания образцы, наиболее близкие по своим свойствам к требуемым, и тем самым сократить объем испытаний и срок разработки. Кратко описаны достижения АО «НИИ стали» в области расчетного анализа защитных свойств легкой брони, состоящей из текстильной композитной, металлической и керамической брони, а также их комбинаций.
Ключевые слова: легкая броня, текстильная броня, композитная броня, керамическая броня, комбинированная броня.
В настоящее время вооруженные силы, полиция и специальные подразделения снабжаются широкой номенклатурой средств индивидуальной бронезащиты и легкой бронетехникой. Общим для этих средств защиты является группа кинетических средств поражения, представляющих
404
наибольшую опасность - пули стрелкового оружия и осколки. Эта группа средств поражения имеет ряд особенностей, которые определяют сходные механизмы взаимодействия с броней и соответственно сходные защитные структуры.
Во-первых, это сравнительно небольшая масса ударника (до
100 г).
Во-вторых, это скорости взаимодействия в основном до 1000 м/с.
В-третьих, это отсутствие контактного воздействия взрыва или действия ударной волны.
Таким образом, защитные структуры от осколков и пуль стрелкового оружия можно назвать единым термином «легкая броня». Внутри этой группы защитных структур их можно подразделить на чисто противооско-лочные, структуры против пистолетных пуль, структуры против автоматных и винтовочных пуль, структуры против крупнокалиберных пуль и структуры против осколков для бронетехники. В большинстве случаев две последние группы объединяют.
При этом проектирование легких защитных структур до настоящего времени ведется путем экспериментального подбора. А это приводит к большим материальным и временным затратам. Сокращение сроков и стоимости отработки защитных структур для военной техники и средств индивидуальной бронезащиты является важной задачей, решение которой будет способствовать укреплению обороноспособности страны.
Аналитические решения задач взаимодействия ударника и преграды разработаны в настоящее время лишь для некоторых частных случаев.
Численные методы имеют свои недостатки: недостаточную адекватность моделей поведения материалов в заданных условиях, необходимость подбора эмпирических коэффициентов в этих моделях и большую длительность расчетов.
Таким образом, задача разработки методологии инженерного проектирования легких защитных структур является весьма актуальной. Ее применение позволит предлагать для экспериментальной отработки композиции наиболее близкие к требуемым по своим защитным свойствам. Это позволит уменьшить объемы испытаний при отработке, а соответственно сократить сроки выполнения работ и их стоимость.
Цель работы состояла в создании комплекса методик, позволяющих расчетным способом оценить защитные свойства текстильной, органопла-стиковой, керамической и комбинированной брони против пуль стрелкового оружия и модельных осколков.
До проведения настоящей работы существовали отрывочные расчетные и экспериментальные методики с очень узкими условиями применения: инженерная расчетная методика И.Ф. Кобылкина для текстильной брони [1], DOP-метод оценки броневых свойств керамики, инженерные расчетные методики для комбинированной керамо-органопластиковой брони И.Ф. Кобылкина [2] и В. А. Анисковича-А.Ф. Ермоленко [3, 4].
На базе этих методик в АО «НИИ стали» были проведены подробные исследования механизмов взаимодействия различных ударников с разными защитными структурами и получены следующие результаты.
Для учета при оценке защитных свойств текстильной брони возможности изготовления ее лицевых, средних и тыльных слоев из различных тканей (с разным типом плетения, разной толщины нитей или плотности их набивки) предложен следующий подход [5].
Считается, что кинетическая энергия, поглощенная бронепакетом, равна сумме энергий, поглощенных каждым слоем. Коэффициенты материалов определяются по экспериментальным данным о V500/о (скорости, обеспечивающей вероятность непробития 0,5), и результатом расчетов является величина V500/о (а не Vncn - минимальная скорость, при которой вероятность непроибития 0 - как в исходной методике). Форма ударника учитывается коэффициентом изменения миделя / (для шарика / равно единице, для деформируемых пуль - больше единицы, а для остроголовых пуль - меньше единицы). Коэффициенты формы ударников приведены в табл. 1, составленной на основании собственных экспериментальных данных и данных ряда работ. Для свинцовых пуль характерна зависимость степени деформации от скорости удара.
Тогда предложенная И.Ф. Кобылкиным формула для определения броневых свойств текстильной брони будет выглядеть так:
'50% об ^---> С1)
где Vso% ~ скорость ударника, обеспечивающая непробитие с вероятностью 0,5; KO6V50% - коэффициент свойств материала, определенный по экспериментальным значениям Vso%', f- коэффициент формы ударника; d -калибр ударника; mm - поверхностная плотность бронепакета; m - масса ударника.
Для каждого слоя по формуле (1) оценивается, пробьет ли его ударник при данной скорости. Если пробьет, то определяется баллистическая энергоемкость данного слоя, то есть энергия ударника, поглощенная при пробитии этого слоя:
Wn = , (2)
где Wв*) - баллистическая энергоемкость слоя; Vo - скорость встречи ударника со слоем.
Из простейшего уравнения сохранения энергии определяется скорость ударника при подходе его к следующему слою текстильной брони:
= (3)
где Fi - скорость подхода ударника к следующему слою.
Если задаться изначально заведомо очень большой скоростью ударника и затем в ходе циклических вычислений ее снижать, то последовательное выполнение расчетов по формулам (1) - (3) позволит определить начальную скорость ударника, при которой его остановка произойдет перед последним слоем.
Также был проведен анализ влияния угла встречи на защитные свойства текстильной брони. На основании аналитического решения задачи косого удара по нити, описанной Х.А. Рахматулиным, получено, что при отсутствии трения косой удар слабее нагружает нить, чем прямой, а при отсутствии скольжения, наоборот, косой удар нагружает одну ветвь нити сильнее другой. Из чего сделано предположение, что попадание пули под углом может быть опаснее попадания по нормали.
Эксперимент показал, что это справедливо для тонких бронепакетов (до 8 слоев) и особенно для рыхлых тканей, которые больше склонны раздвигаться, чем рваться. Для наиболее часто употребляемых бронепакетов из 14-30 слоев при ударе под углом защитные свойства, наоборот, возрастают за счет проскальзывания ударника между слоями или его подворота (для удлиненных ударников) [6].
Методика расчетной оценки защитных свойств композитной брони на основе арамидных тканей и нетканого сверхвысокомолекулярного полиэтилена основана на определении удельной поглощенной энергии ударника, характерной для разных материалов.
Физический смысл удельной поглощенной энергии можно сформулировать так: это энергия ударника, поглощаемая единицей массы материала при скорости воздействия, обеспечивающей 50 % вероятность непробития.
Для оценки защитных свойств предложена следующая формула:
= (4)
где И/уд.п. - удельная поглощенная энергия, определяемая из эксперимента; р - поверхностная плотность композитного материала.
Таблица 1
Экспериментально определенные значения коэффициентов формы ударников для расчета защитных свойств текстильной брони
Оружие Пуля Коэффициент f
Револьвер .357 SWC 1,6..2,0
Револьвер Magnum .44 JHP 1,3..1,8
Пистолет Beretta 9.0 FMJ 1,1..1,6
Компактный осколок естественного дробления массой 0,9... 1,1 г 1,2
Модельный осколок ЯСС -цилиндр 02,7 мм и массой 0,129 г 1,22
Модельный осколок РБР - цилиндр с фасками 06 мм и массой 1,1 г 1,19
Модельный осколок -шарик диаметром 6,35 мм и массой 1,05 г 1,0
Пистолет ПМ Пет 0,99
Пистолет ТТ Пет 0,84
Пистолет ПЯ 7Н21 0,51
Примечательно, что для сухой ткани У500/о пропорционально кубическому корню из комплекса, а для композита - пропорционально квадратному корню. И эта зависимость гораздо лучше соответствует экспериментальным данным.
Что касается влияния формы и материла ударника на защитные свойства, то эксперименты показали, что ввиду значительно большей жесткости органопластиков по сравнению с текстильной броней пули ведут себя при взаимодействии с ними иначе, чем с тканью: они в большинстве случаев сильнее деформируются. Характер взаимодействия компактных ударников - осколков и их имитаторов - для ткани и органопластиков практически не изменяется. В связи с этим для использования в приведенной выше формуле (4) была переработана таблица коэффициентов формы в части, касающейся пуль (табл. 2).
Для броневой керамики был предложен расчетно-эксперименталь-ный метод оценки защитных свойств и исследовано влияние различных факторов на эти свойства [7].
Таблица 2
Экспериментально определенные значения коэффициентов формы ударников для расчета защитных свойств органопластиков
Оружие Пуля Коэффициент /
Револьвер .357 SWC 2,0
Револьвер Magnum .44 JHP 1,8
Пистолет Beretta 9.0 FMJ 1,6
Пистолет СР-1 7Н28 1,15
Компактный осколок естественного дробления массой 0,9... 1,1 г 1,2
Модельный осколок ЯСС -цилиндр 02,7 мм и массой 0,129 г 1,22
Модельный осколок РБР -цилиндр с фасками 06 мм и массой 1,1 г 1,19
Модельный осколок - шарик диаметром 6,35 мм и массой 1,05 г 1,0
Пистолет ПМ Пет 1,1
Пистолет ПЯ 7Н21 0,65
Он основан на приближении, что на начальном этапе взаимодействия пули с керамической пластиной в течение некоторого времени £р керамический материал ведет себя подобно абсолютно жесткой стенке. При этом проникания пули в керамику нет. Проникание частично разрушенной пули в разрушенную керамику начинается по истечении этого времени. £р называют временем задержки проникания. Для исключения влияния толщины керамической пластины было предложено перейти к безразмерному времени задержки проникания и принять эту величину за характеристику броневых свойств керамики.
Был предложен подход к определению безразмерного времени задержки проникания по укорочению сердечника пули при пробитии свободно подвешенной в пулеулавливателе керамической пластины (5) [7]:
"ПР Г0 Ак
где ппр - безразмерное время задержки проникания ударника в керамику (число волновых пробегов, необходимое для разрушения керамики); /о -
408
начальная длина сердечника пули; 11 - остаточная длина сердечника после пробития преграды; У0 - начальная скорость пули; Нк - толщина керамики; ск - условно стандартная скорость звука в керамике.
Далее на основании многочисленных натурных и численных экспериментов было установлено влияние различных факторов на безразмерное время задержки проникания, а именно исследованы влияние размеров и формы керамического бронеэлемента, наличие и материал подложки, физико-механические свойства самой керамики, скорость и материал ударника.
Для всех этих факторов получены зависимости, уточняющие определенный экспериментально параметр безразмерного времени задержки проникания [8 - 13].
Для подтверждения работоспособности методики оценки броневых свойств керамики по величине безразмерного времени задержки проникания было проведено сравнение результатов с другой альтернативной методикой. Она разработана на кафедре СМ12 МГТУ им. Н.Э. Баумана и основана на воздействии на керамическую плитку высокоскоростной струей воды. При этом характер разрушений на поверхности пластины качественно и количественно связан с ее прочностными и броневыми свойствами (рис. 1). Для удобства построения зависимостей был предложен так называемый параметр гидроэрозии, представляющий собой логарифм от величины, обратной унесенной массе керамики на длину реза. Для корундовой керамики параметр гидроэрозии и безразмерное время задержки проникания достаточно хорошо коррелируют между собой, а для карбидной керамики - нет, что связано со структурой карбидных материалов - двумя взаимопроникающими каркасами разных зерен [14].
На основании достаточно большой статистики испытаний раз-личных корундовых материалов по определению безразмерного времени задержки проникания, проведенных лично автором, и анализа их структуры можно построить зависимость (рис. 2).
Для карбидных материалов построить такую зависимость не представляется возможным: приведенные параметры не коррелируют между собой. Отчасти эти данные совпадают с литературными данными, в которых отмечается, что для карбидных материалов наилучшим с точки зрения броневых свойств будет не минимальный, а некоторый средний оптимальный размер зерна.
Для комбинированных преград, состоящих из керамического слоя на органопластиковой или металлической подложке и дополнительных слоев из тканевой, органопластиковой или металлической брони, на основании всех предыдущих исследований была разработана комплексная инженерная методика расчета. За базу был взят подход, разработанный И.Ф. Кобылки-ным в 2006 г. [2] и развитый автором в 2012 г. [15].
Расчет проводится последовательно с определением, на каком из слоев преграды ударник остановится. Первоначально определяется, остановится ли сердечник пули при проникании через керамический слой. Если не
останавливается, то полученные на этом этапе длина (форма), масса и скорость остатка сердечника являются входными данными для расчета пробития или непробития композитной или металлической подложки. В случае пробития полученные после взаимодействия с подложкой длина, масса и скорость остатка сердечника являются входными данными для расчета пробития или непробития текстильной основы бронежилета или каких-либо других слоев в многослойной комбинированной броне. Для решения сложных систем дифференциальных уравнений методом Рунге - Кутта была сделана программная реализация в среде МЛТЬЛВ.
а
б
в г
Рис. 1. Каверны от ультраструй в керамических пластинах: а - корунд с высокими броневыми свойствами; б - корунд с низкими броневыми свойствами; в - карбид бора горячепрессованный; г - карбид кремния реакционно связанный
Рис. 2. Зависимость броневых свойств корундовой керамики от ее физико-механических свойств
Предложенная методика показала хорошую сходимость с результатами натурных экспериментов.
Предложенная расчетная методика неожиданно нашла оригинальное применение для расчета частного случая прозрачной брони. Если прозрачная броня состоит из высокотвердого неорганического стекла с подложкой
410
из поликарбоната, а пуля имеет мягкий стальной сердечник, то с помощью описанной выше методики может быть проведен анализ такой структуры.
На основании всех проведенных исследований выработаны практические рекомендации по разработке текстильных, композитных, керамических и комбинированных защитных структур.
Таким образом, разработаны и активно применяются в создании новых средств бронезащиты научно-методические основы проектирования легкой бронезащиты в виде комплекса инженерных методик расчетной оценки защитных свойств текстильной, органопластиковой, керамической и комбинированной брони.
Список литературы
1. Кобылкин И.Ф., Григорян В.А., Маринин В.М. Энергетический подход к определению предельной скорости пробития текстильных броне-пакетов // Вопросы оборонной техники. Сер. 15. Композитные неметаллические материалы в машиностроении. 2008. Вып. 1 - 2. С. 10 - 17.
2. Материалы и защитные структуры для локального и индивидуального бронирования / В.А. Григорян [и др.]. М.: Радиософт, 2008. 406 с.
3. Анискович В.А. Научно-технологические аспекты создания комбинированной полимеркерамической брони. М.: Издательский дом «Спектр», 2015. 76 с.
4. Ермоленко А.Ф. Модель взаимодействия керамико-композитной брони с бронебойными пулями, учитывающая изгибные эффекты в композитной тыльной панели // Вопросы оборонной техники. Сер.15. Композиционные неметаллические материалы в машиностроении. 2016. Вып. 3 - 4. С. 26 - 45.
5. Беспалов И. А. Инженерная методика расчетной оценки защитных свойств текстильной брони // Труды международной конференции «XIII Харитоновские научные чтения. Экстремальные состояния вещества. Детонация. Ударные волны». Саров. 2015. С. 327 - 333.
6. Беспалов И. А. Особенности взаимодействия имитатора осколка с текстильными бронепакетами под углом от нормали // Актуальные проблемы защиты и безопасности: труды 14-й Всерос. научно-практ. конф. Т.1. Технические средства противодействия терроризму. СПб., 2011. С.102 - 106.
7. Беспалов И.А., Григорян В.А., Кобылкин И.Ф. Экспериментальное определение времени задержки проникания высокоскоростных ударников в керамическую броню // Вопросы оборонной техники. Сер. 15. Композиционные неметаллические материалы в машиностроении. 2011. Вып. 1 - 2. С. 34 - 38.
8. Беспалов И. А. Исследование влияния скорости и конструкции пули на броневые свойства керамических материалов // XXI Международная научно-практическая конференция «Конструкции и технологии
получения изделий из неметаллических материалов»: тезисы докладов. Обнинск, 2017. С. 248 - 252.
9. Беспалов И. А. Особенности взаимодействия сердечников пуль с многослойными преградами с лицевым керамическим слоем из карбида бора // Вопросы оборонной техники. Сер.15. Композиционные неметаллические материалы в машиностроении. 2013. Вып. 3 - 4. С. 5 - 8.
10. Беспалов И. А. Экспериментальная оценка броневых свойств керамических материалов на основе карбидов кремния и бора // Сборник трудов междунар. конф. «Научные принципы и подходы, методы и технологии, системный анализ и статистическая обработка данных о создании, диагностике, модернизации композиционных материалов и покрытий с нанодобав-ками, работающих в условиях динамического и высокоэнергетического нагружения». М., 2013. С. 21 - 26.
11. Беспалов И. А., Григорян В. А., Кобылкин И.Ф. Баллистическая стойкость стыковых соединений керамических пластин // Актуальные проблемы защиты и безопасности: труды 13-й Всероссийской научно-практической конференции. СПб., 2010. Т.3. Бронетанковая техника и вооружение. С. 140 - 148.
12. Беспалов И. А. Противопульная стойкость дискретной керамической брони // XIII Харитоновские тематические научные чтения: труды междунар. конф. Саров: РФЯЦ ВНИИЭФ, 2011. С. 525 - 532.
13. Беспалов И. А. Маринин В.М., Карпов А.Б. Выбор оптимальных размеров и формы элементов дискретной керамической брони // XIII Хари-тоновские тематические научные чтения: тезисы междунар. конф. Саров, 2011. С. 532 - 541 с.
14. Беспалов И.А. Галиновский А.Л., Муляр С.Г. Сравнительный анализ двух экспресс-методик оценки баллистических свойств керамических материалов // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2011. Вып. 4/3 (288). С. 139 - 144.
15. Беспалов И.А., Кобылкин И.Ф. Комплексная инженерная методика оценки пулестойкости многослойных защитных структур с лицевым керамическим слоем // Вопросы оборонной техники. Сер.15. Композиционные неметаллические материалы в машиностроении. 2013. Вып. 3 - 4. С. 18 - 26.
Беспалов Иван Александрович, канд. техн. наук, директор-главный конструктор, mail@,niistali.ru, Россия, Москва, АО ««Научно-исследовательский институт стали»
SCIENTIFIC AND METHODICAL BASIS OF LIGHTWEIGHT ARMOUR DEVELOPMENT
I.A. Bespalov
The problem, how to make armor development cheaper and faster, is very important. Numerical methods of development can't replace experimental tests. But if we have a complex of engineering methods to evaluate armour properties, we will suggest for experimental tests
412
the sample, which properties are the nearest to claims, very fast. This complex of engeneering methods will reduce the development's cost. This paper contains achievements of JSC "Scientific research institute of steel" in computational analysis of textile, composite, ceramic and combined armour.
Key words: textile armour, composite armour, ceramic armour, combined armour.
Bespalov Ivan Alexandrovich, candidate of technical sciences, head of department, mailaniistali. ru, Russia, Moscow, JSC "Scientific research institute of steel"
УДК 535.37
ИССЛЕДОВАНИЕ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ СТАННАТА КАЛЬЦИЯ СА8Ш3: УБ3+, ЕЯ3+, НО3+ В ОБЛАСТИ 2000 НМ ПРИ ИК-ВОЗБУЖДЕНИИ
У. А. Марьина, В.А. Воробьев, А.П. Марьин, Р.В. Пигулев
Твердофазным методом получен люминофор на основе станната кальция CaSnO3, активированный редкоземельными ионами УЪ3+, Ег3+, Но3+, который при возбуждении лазером с длиной волны 960 нм обладает стоксовой люминесценцией в области 1000...2000 нм и слабой антистоксовой люминесценцией в видимой области спектра. Предложена схема энергетических переходов в ионах активаторов. Предложен способ повышения интенсивности люминесценции полученного люминофора в области 2000 нм путем введения примесей цинка.
Ключевые слова: люминофоры, редкоземельные элементы, станнаты, люминесценция, иттербий, эрбий, гольмий.
Разработка и исследование новых, а также совершенствование уже известных люминесцентных материалов для различных областей науки и техники является важной задачей. К настоящему моменту наибольшая часть научно-исследовательских работ посвящена изучению стоксовых и антистоксовых люминофоров, излучающих в видимой области спектра. Между тем, большой интерес представляют также люминофоры, излучающие в ИК-диапазоне [1, 2]. Люминофоры такого типа могут использоваться в различных областях человеческой деятельности (рис. 1).
Рис. 1. Области применения ИК-люминофоров
413
