CC BY
6Электронный журнал «Труды МАИ». Выпуск № 65
www.mai.ru/science/trudy/
УДК 629.7.002 (075.8)
Разработка многослойных комбинированных структур для
защиты летательных аппаратов от поражения стрелковым
оружием
1* 2 2** Ларин А. А. , Резниченко В. И. , Артемьев А. В.
1 Московская академия рынка труда и информационных технологий (МАРТИТ), ул.
Молодогвардейская, 46, крп.1, Москва, 121351, Россия Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), МАИ, Волоколамское шоссе, 4, Москва, А-80, ГСП-3, 125993, Россия
* e-mail: kmit@martit.ru **e-mail: sigma_mai@mail.ru
Аннотация
Представлена методика разработки многослойных бронезащитных конструкций для обеспечения требуемого уровня защищенности объекта от воздействия стрелкового оружия калибром до 12.7мм. Рассмотрены механизмы поглощения энергии удара различными материалами, в том числе композиционными. Методика позволяет проводить мероприятия по весовой оптимизации брони.
Ключевые слова: композиционные материалы, бронезащита, комбинированные структуры, летательные аппараты, вооружение
Комбинированная многослойная бронеконструкция характеризуется наличием в её структуре разнотипных материалов, имеющих разную природу, характер энергопоглощения и разрушения от ударного воздействия. Для разработки защитных конструкций под требования заказчика необходимо проведение моделирования в конечно-элементных комплексах, натурные испытания тестовых образцов, а также выработка комплексных теоретических методик, позволяющих получать исходные толщины, геометрические и весовые параметры спроектированной бронеконструкции.
Одной из методик для разработки защитных конструкций является оценка энергопоглощения вплоть до разрушения различных материалов, применяемых в изделии.
Основываясь на допущениях о недеформируемости сердечников из термоупрочненной стали или карбида вольфрама, а также на принципе минимальной траектории поражающего элемента в объеме защитной панели, методика позволяет оценить остаточную энергию ударника после прохождения любого слоя по толщине брони, что позволяет спроектировать наиболее эффективную броневую защиту.
Энергетический анализ процесса взаимодействия пули и брони на основе текстильных материалов
Для поражающего элемента кинетическая энергия пули запишется в виде: Екин =
2
. Эта энергия при продвижении ударника в текстильной броне расходуется на
т^о 2
следующие составляющие процессы пробития:
1) работа деформирования нитей при их растяженииАдеф,
2) работа сил трения при перемещении ткани в продольном направлении (вытягивание нитей)Ашр1,
3) работа сил трения при перемещении ткани в поперечном направлении (раздвигание нитей)Атр2,
4) сообщение нитям ткани кинетической энергии Щ<ин,
5) работа разрушения и деформирования пулиАпули,
6) тепловые потери Q и др.
Поскольку при ударном взаимодействии часть слоев оказывается пробитой, то работа деформирования нитей этих слоев ткани преобразуется в работу их разрушенияАразр. Работа деформирования остальных слоев ткани преобразовывается в работу растяжения нитейЩ,„р.
Закон сохранения механической энергии запишем в виде:
22 т • р02 т • VI
Пули 2 2 Аразр + ^упр + Атр1 + Атр2 + Апули + Q
Баллистическая энергоёмкость единичного слоя ткани Ш^эг = -, где п - число
слоев ткани в пакете, определяется свойствами ткани и скоростью удара кинетического элемента по пакету.
Аналитически можно выделить следующие компоненты энергоёмкости, включающие в себя: изменение скорости продольных волн за счет извитости пакета, эффективную площадь взаимодействия материала с пулей,деформативность
волокон,скорость продольной волны,поверхностную плотность ткани,диаметр поражающего элемента,число слоев в пакете,скорость кинетического поражающего элемента.
Теоретическая формула для определения баллистической емкости:
2 • а • р • у • ер • с3 -тт •
Шбэ! = -р-
где а =0,75 - коэффициент учета изменения скорости распространения продольных волн за счет извитости,
Р = 1. .1,25 - коэффициент вовлечения материала в работу под КПЭ,
у = 1 • £р_1- к-т пропорциональности, гр имеет размерность %/100,
- скорость продольной волны в материале, определяемая по следующей формуле:
•=I
где р — плотностьматериала, Е — модульупругостиматериала, тт -поверхностная плотность слоя ткани, ^о - скорость поражающего элемента перед преградой,^п - диаметр пули.
Комплектуя в пакет п тканевых слоев, получим следующую баллистическую энергоёмкость бронепакета:
1,5 • ер •с3 • тт • • п
™БЭ = -р-„ т п
Ко
Значение ^бэ характеризует энергию, которую поглощают пробитые тканевые элементы броневой защиты. Для определения минимального числа пробитых (сработавших) слоёв при поражении телом массы т , летящего со скоростью Ро, необходимо выполнение неравенства:
2
т • р02 Щэ >—
Расчет баллистической энергоёмкости пакета сухой ткани
Введены следующие допущения:
- масса поражающего элемента не изменяется,
- диаметр поражающего элемента не меняется (не происходит расплющивания материала элемента, то есть не идет дополнительное вовлечение в работу материала
преграды из-за увеличения площади контакта непосредственно под поражающим элементом).
Методика решения:
1) выбирается материал для бронепанели:
Модуль упругости нити Е, (Па), плотность материалар, (кг/м ), поверхностная плотностьшт, (кг/м ), деформативность нити Ер, (%/100).
2) задаются характеристики кинетического поражающего элемента: Масса М, (кг), скорость перед преградой у0, (м/с), диаметр йп, (м).
3) определяется кинетическая энергия поражающего элемента, Дж:
т • у02 Е = 0
кин
2
4) определяется скорость волны в нити, м/с.
5) определяется баллистическая энергоёмкость одного слоя непропитанной ткани, Дж:
1,5 • Ер • с3 • тт • йр
^БЭ1 = -р-
6) определяется потребное количество слоёв баллистической ткани, при котором кинетическая энергия поражающего элемента поглощается бронепакетом:
_ Екин _ т^Уо2 - Уд _ т^Уд3
ШБЭ1 2 • 1,5 • ■ с3 •Шт -й2 3 • ¿2 ■ с3 •тт -й2
7) потребное количество слоёв п округляется в большую сторону до целого числа. К ним необходимо добавить деформативную подложку в виде параамидной ткани или баллистического нейлона в количестве 0.2 - 0.35 п.
При проектировании броневых панелей, включающих в себя тканые материалы различной природы и свойств (например, СВМ+Армос), кинетическая энергия поражающего элемента поглощается слоями последовательно, соответственно имеется возможность оценить с определенными допущениями скорость поражающего элемента после пробития каждого из слоёв.
Расчет баллистической энергоёмкости тканевой структуры, пропитанной
связующим
Баллистическая энергоёмкость одного монослоя сухой ткани определяется по формуле:
1,5 • Ер • с3 • тт • йр
^БЭ1 =--—
Уд
Как видно из приведенной формулы, энергоёмкость определяется скоростью распространения упругих волн в нитях тканевой основы, влияние же связующего проявляется именно в снижении скорости распространения волн и повышении поверхностной плотности материала.
Введем понятие объемной доли армирующего компонента в тканевом пропитанном монослое, обозначив его Я, тогда объемная доля смолы задастся в виде 1-Я.
Масса волокон и связующего, вовлекаемых в работу при воздействии кинетического поражающего элемента, записывается по формуле:
МвОЛ = Рвол • Увол = Рвол • Ь • У
Мсв = Рсз • Усв = Рсз • (1 - Ь) -У
V - объем вовлекаемого материала преграды в рамках монослоя.
Линейную плотность нити, окруженную связующим, можно определить в виде формулы:
Рнити = Рвол (1 + ()
гдео - это массовая доля связующего относительно массы сухих нитей.
Скорость распространения продольной волны в нити, окруженной связующим, то есть находящейся в составе пластика, может быть найдена в соответствии со следующей формулой:
77 77
Евол Евол
Рнити л\Рвол (1 + о) V! +
(
Массовая доля связующего относительно массы сухих нитей определяется из следующих соотношений:
ш=Мс^= Рсв ' (1 - Ь) 'У = Рсв ■ (1 - Ь)
Мвол Рвол • Ь 'У Рвол • Ь
скорость распространения волн в нитях:
1 +
Рвол'Ь
Тогда баллистическая стойкость одного монослоя пропитанной ткани определится по формуле:
нити
нити
Рсв'(1-Ь)
1,5 • 4 • с3 •тт• ¿2 1,5 • ер •с3 - тт-
№бэ1 =-^-=-, з -
,о 11+ ^
-\] Рвол • А
Методика расчета баллистической энергоёмкости пропитанныхполимерным связующим монослоёв:
1) выбирается материал для основы пропитываемого монослоя:
Модуль упругости нити Е, (Па), плотность материалар, (кг/м ), поверхностная плотностьшт, (кг/м ), деформативность нити Ер, (%/100).
2) выбирается пропиточный материал:
- плотность материаларс, (кг/м )
3) определяется объемная доля материала нитей и смолы:
- Л
- 1-Я
4) задаются характеристики кинетического поражающего элемента: масса М, (кг), скорость перед преградой р°, (м/с), диаметр йп, (м).
5) определяется кинетическая энергия поражающего элемента перед броневой преградой, Дж:
2
т • р°2 Е = -—
^кин 2
6) определяется массовая доля связующего относительно массы сухих нитей:
Рсв • (1 — А)
ш = -ч—
Рвол • А
7) определяется скорость распространения продольной волны в сухой нити, м/с.
< = Ё
8) определяется скорость распространения продольной волны в нити пропитанного монослоя:
нити Г1—-
Л+й
9) определяется баллистическая энергоёмкость одного слоя пропитанной ткани, Дж:
15 • р2 •с 3 • т • d2
р нити т п
шбэ1 =-р-
^о
с
10) определяется потребное количество слоев баллистической ткани, при котором кинетическая энергия поражающего элемента поглощается бронепакетом:
Екин -Ро т^Ро3
п =
МБЭ1 2 1,5 ^р ^-нити ^т dп 3 Ер Сцити ^т dп
Оценка поглощения энергии в металлической составляющей
Различают три типа пробивания металлических преград ударниками:выбивание пробки из преграды, пластическое деформирование преграды с радиальным течением материала, пластическое деформирование преграды с образованием тыльной выпучины и её разрушением по следующим типам:а) срезания пробки, б) образования лепестковой пробоины, в) пластического отгибания закраин.
При пробивании преграды недеформируемым ударником в зависимости от соотношения толщины преграды Ъ и диаметра ударника dc реализуются следующие механизмы:
1) при Ъ > 1,17dc срезанию пробки предшествует внедрение ударника в преграду на глубину Ъ — 1,17 dc;
2) при 0,58 dc<Ъ < 1,17 dc пробивание преграды осуществляется по механизму срезания пробки.;
3) при Ъ < 0,58dc пробиванию преграды предшествует образование тыльной выпучины с последующим выбиванием пробки или проколом с образованием лепестков.
В таблице 1 приведены значения диаметров ударников патронов отечественного стрелкового вооружения различного калибра, наиболее часто используемый в локальных конфликтах для поражения летательных аппаратов различного назначения.
Таблица 1. Диаметры сердечников для патронов
№ Патрон dc, мм
1 7,62мм со Ст.Серд. 57-Н-134С 5,85
2 7,62мм обр.1943 с БЗ 57-БЗ-231 6,12
3 5,45мм с бронебойной пулей 7Н22 4,22
4 7,62 снайперский 7Н14 6,65
5 12,7мм Б-32 12,7х108 10,8
Н иже представлены формулы для определения затрат энергии ударника на
прохождение преград в соответствии с представленными выше механизмами пробития брони.
1) Работа внедрения сердечника на высоту Ъ — 1,17йс равна:
А1 = 2,7 • П-й2 • О'тд.пр • (Ъ — 1,17йс)
2) Работа срезания пробки:
А=
и - Ьп ' О'тд.пр ' ¿с
243
3) Работа формирования выпучины:
п
А3 = д • ^тд.пр ■ йс-Ь- (йс + 2 -П-Ь)
4) Работа расширения отверстия по лепестковому пробою:
п • й2 • Ъ
А4 = 1,9 - тд.пр '
4
°тд.пр - предел текучести материала преграды
Рисунок 1 - Геометрия пробивания металлической преграды
Таким образом, для определения типа пробития и выбора соответствующей формулы для описания работы ударника по пробитию бронеструктуры необходимо руководствоваться следующим порядком действий:
1) при Ъ > 1,17 dc работа пробития: А = А1 + А2
2) при 0,58 dc<Ъ < 1,17 dc работа пробития: А = А2
3) при Ъ < 0,58 dc работа пробития: А = А3 + А4
При компоновке слоистой броневой структуры с лицевым металлическим слоем кинетическая энергия поражающего элемента после прохождения листа оцениваются по следующей формуле:
2
т • v 2
Е „ = _0 — А
^кин1 2
где А выбирается исходя из соотношения Ъ и dc.
При этом после прохождения лицевого листа, на котором произошло "срабатывание" пули, кинетический поражающий элемент имеет размеры, характеризуемые диаметром сердечника dc, однако предлагается часть массы оболочки пули присоединить к массе сердечника, повысив тем самым кинетическую энергию элемента.
Таким образом, на лицевом металлическом листе слоистой бронепреграды происходит потеря кинетической энергии, уменьшение диаметра поражающего элемента с пулиdп до сердечника dc.
Анализ актуальности применения металлических материалов в конструкции
комбинированной брони
Основными критериями энергоёмкости металлических элементов конструкции броневых элементов являются: толщина листа (отношение толщины к диаметру сердечника или же диаметру пули при отсутствии сердечника), предел текучести материала.
Соответственно направления повышения баллистической стойкости металлических бронелистов заключаются либо в повышении физико-механических свойств материалов, либо в использовании листов большой толщины, что позволит увеличить энергоёмкость преграды за счет включения механизмов внедрения ударника в преграду и выбивание пробки, являющихся наиболее энергоёмкими.
В то же время увеличение толщины неизбежно ведет к повышению веса броневой конструкции; одним из вариантов решения данного вопроса может быть использование броневых алюминиевых и титановых листов.
Энергопоглощение в керамических элементах
Будем считать, что основную роль в разрушении материала играет упругая энергия, накопленная в объеме при его деформировании до исчерпания упругих свойств.
ак; • V
ч = 2г
ак - предел упругости керамики,
Е - модуль Юнга,
V - объем вовлеченного в разрушение материала.
Будем считать соотношение входного и выходного отверстий от кинетического поражающего элемента равным 1 к 2, то есть по механизму конусного раскрытия пробоины.
Тогда при толщине керамической плитки Н объем вовлеченного материала определится по формуле:
1 „ , 1 „ , . 1 „ „ 1 (7й2\
V = + П + И1И2) = + 4Я2 + Я12Я1) = - пН(7И^) ==
7
= — пНй2 12
Тогда энергия разрушаемого объема составит:
оК:-^пНй2 7аг -пНй2
Ж = -12-= —-
у 2-Е 24-Е
На значение диссипации энергии в керамике большое влияние оказывает её толщина и жесткость материала подложки, а также методы удерживания осколков керамической плиты путем оклейки её сухими и пропитанными тканями.
Выводы
Предлагаемый подход к проектированию комбинированных структур для защиты летательных аппаратов от стрелкового вооружения позволяет применять большое
количество видов материалов, различных по своей природе и характеру разрушения, при этом обеспечивается возможность весовой оптимизации конструкции, а также, при соответствующем дополнении - и стоимостной оценки разработок.
Библиографический список
1. Дудченко А.А., Елпатьевский А.Н., Лурье С.А., Фирсанов В.В. «Анизотропные панели - плоская задача: Учеб.пособие» - М.: Изд-во МАИ, 1991. - 96с.
2. Фомин В.М., Гулидов А.И., Сапожников Г.А. и др. "Высокоскоростное взаимодействие тел" - Изд-во СО РАН, 1999.
3. Григорян В.А., Кобылкин И.Ф., Маринин В.М., Чистяков Е.Н. "Материалы и защитные структуры для локального и индивидуального бронирования", М.: Радиософт, 2008. -406с.
4. Маринин В.М., Хромушин В.А. "Определение характеристик энергоёмкости защитных конструкций на основе текстильной брони при баллистическом ударе". Экстремальное состояние вещества. Детонация, Ударные волны - Труды международной конференции "VII Харитоновские тематические научные чтения" - Саров; РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2005.
