Технология ответного взрыва: Реактивные днищевые системы противодействуют СВУ
Деформация 15-мм днищевой пластины из малоуглеродистой стали прикрепленной к автомобилю Land Rover Discovery после подрыва на 6-кг СВУ (слева). Можно видеть выброс газов противозаряда из «дымохода» установленного сразу за сиденьями водителя и переднего пассажира
Недавние асимметричные конфликты в Афганистане и Ираке показали, что закопанные самодельные взрывные устройства (СВУ) являются предпочтительным средством атаки на союзные вооруженные силы, превосходящие по численности и технологически.
Применение СВУ для атак на легкие и тяжелые бронированные машины привело к обоюдной битве конструкторов систем защиты транспортных средств и атакующих (назовем их повстанцами). Первые защищают свои машины все лучше и лучше, зачастую используя и тяжелые решения, а вторые применяют все более крупные заряды. Здесь напрашивается простой вывод: даже если броня и конструкция машины смогут выдержать результирующие силы, которые создает детонирующий заряд, то сидящие внутри вряд ли переживут воздействие этих сил. В ответ на это британская компания Advanced Blast & Ballistic Systems (ABBS) разрабатывает концепции активной защиты от СВУ и мин, которые позволят, по крайней мере, пассажирам выжить после подобных атак несмотря даже на значительные повреждения машины.
Концепция, подкрепляющая эту технологию, была впервые определена Роджером Сломаном, директором компании ABBS, после того как он просмотрел высокоскоростное видео машины при проведении взрывных испытаний в апреле 2008 года. При просмотре видео можно было видеть, что начальная ударная волна проходит через машину примерно за 1 - 2 миллисекунды, хотя при этом не наблюдается существенного смещения машины до того момента, когда по бокам машины становятся четко видны газообразные продукты и выброс грунта. Это происходит только через 8 миллисекунд после детонации заряда. Его вывод заключался в том, что начальная ударная волна мало повлияла на общее перемещение машины, и фактически сочетание квазистатического давления от продуктов распада взрывчатого вещества и выброса грунта заставило машину двигаться вверх.
Задержка в перемещении 8 миллисекунд открыла возможность использования активной системы, которая могла бы уменьшить ускорение машины вверх или противодействовать ему. Частным предприятием Sloman & Associates Ltd были проведены начальные эксперименты, результаты которых подтвердили, что идея осуществима. Хотя подобная система и осуществима, но она должна справляться с взрывами различной мощности и дифференцировать их по продолжительности воздействия и суммарному импульсу. Чтобы противодействовать всем этим вариантам разработанная система должна корректировать ответное воздействие и его длительность.
Необходимо заметить, что применение системы активного ослабления ускорения прежде считалось непрактичным, воздействие взрывной волны и время действия оценивались соответственно как слишком экстремальное и слишком быстрое. Было ли это связано с предположением, что начальная ударная волна и соответствующее отраженное давление были основными движителями, вызывающими ускорение машины, неизвестно.
Собрав информацию о результатах своих прежних испытаний, компания обратилась к британскому минобороны с просьбой о начальном финансировании этой НИОКР. Минобороны согласилось изучить эту концепцию, большую часть работ часть профинансировала Лаборатория оборонной науки и технологии (DSTL) со своим научно-технологическим центром бронирования и защиты. После выделения средств компания доработала свою концепцию, в результате чего появились два принципа системы активной защиты: VGAM (Vehicle Global Acceleration Mitigation – ослабление общего ускорения транспортного средства) и VAFS (Vehicle Armoured Floor Stabilisation – стабилизация бронированного днища транспортного средства).
Два кадра с высокоскоростной цифровой камеры с записи пассивного теста. Слева примерно 2 миллисекунды, а справа 633 миллисекунды после детонации заряда, на правом снимке видно максимальное подбрасывание машины, достигающее 3,5 метра
Два кадра высокоскоростной съемки с записью пассивного теста. Слева примерно 4 миллисекунды и справа 437 миллисекунд после детонации заряда, максимальное подбрасывание машины составило 1,04 метра
Генерирование силы
Каждая из концепций использует некий тип источника силового воздействия; это может быть устройство эквивалентное пушке или ракетному двигателю. В первом случае, масса выбрасывается на высокой скорости из трубы, силы отката, генерируемые при отстреле, действуют на машину, на которую это устройство установлено. Такое устройство может работать в течение нескольких миллисекунд и вырабатывать величину силы, длящуюся несколько десятков миллисекунд; точное численное значение генерируемой силы зависит от заряда (его массы и типа) и выбрасываемой массы.
Хотя кривая «сила/время» короткая, тем не менее, могут использоваться различные устройства для увеличения периода или адаптации ответной реакции. Впрочем, самым массово-эффективным методом выработки импульса является специальный ракетный двигатель. Характеристики зажигания, уровень тяги и время работы двигателя были специально настроены, чтобы обеспечить быстрое зажигание и получить соответствующую кривую «тяга/время»; полученное время тяги для каждого двигателя составило до 250 миллисекунд. Система на основе ракетных двигателей подходит для событий длящихся от 20 до 500 миллисекунд и, подобно принципу «выброс массы/откат», могут использоваться несколько устройств для того, чтобы охватить различные уровни взрыва и временные отрезки. По всей вероятности, может применяться сочетание обоих типов источников воздействия по причинам, объясненным далее в этой статье.
Применение концепции VGAM полностью исключает ускорение всей машины вверх. В системе VGAM используется несколько «стратегически» размещенных двигателей, установленных на (или выбрасывающих газы с) верхней поверхности машины. Двигатели активируются в соответствии с данными, полученными от набора датчиков давления и движения, соединенных с высокопроизводительной системой обработки сигналов. От положения и размера инициированного СВУ будет зависеть, какой именно двигатель сработает и с какой величиной импульса; последовательность зажигания контролируется силой и таймингом сигналов, вырабатываемых набором датчиков и обрабатываемых процессорным блоком.
Заявляется, что концепция VGAM имеет относительно простое конструктивное решение, которое может быть применено к широкому диапазону военных машин находящихся в настоящее время на вооружении. Системные требования таковы, что машина должна быть достаточно конструктивно прочной, чтобы выдержать сам взрыв и силы противоускорения. Хотя данная система может использоваться на самых разных типах машин, от внедорожников до основных боевых танков, обычно внедорожники (SUV) и VIP-автомобили легкобронированы и устойчивы только к небольшим взрывным устройствам, поэтому они требуют дополнительной модификации, чтобы выдержать подрыв на более крупных СВУ.
Для того, чтобы выдержать крупные мины машина класса SUV массой 2 - 3 тонны требует добавления днищевой плиты и достаточно прочной конструкции пола для предотвращения пробивания и выдерживания обратного импульса комбинированной системы VAFS/VGAM. Эта инновационная система предотвращает деформацию пола и уменьшает величину общего ускорения, что в противном случае могло бы серьезно ранить или убить пассажиров.
Основа концепции VAFS в основном заключается в уменьшении перемещения пола машины вверх, но при этом она также оказывает существенное влияние на общее ускорение всей машины. В концепции используется так называемая «колонна»: в легких машинах, как например внедорожники, одна, а в тяжелых машинах, например в БТРах, несколько «колонн». Они подсоединяются напрямую к плите днища или устанавливаются на полу, который соединен с этой плитой через конструкцию, распределяющую нагрузку.
Колонны либо содержат двигатели, либо служат их опорами наверху машины, они выровнены по продольной оси машины и проходят через пространство кабины для отвода газов через крышу машины. Пол и днище не только жестко связаны, но пространство между ними заполнено разрушающимися энергопоглощающими конструкциями, например из пенометалла или ячеистого алюминия. Повторим, в концепции используется набор сенсоров, обеспечивающих процессорный блок данными. При подрыве на СВУ и после обработки данных с датчиков воспламеняется соответствующее число двигателей определенного типа, а дальнейшее воздействие на машину зависит от метода установки. В первом случае предотвращение перемещения днищевой плиты обеспечивается в основном тягой двигателей, а во втором случае пол движется вниз и в сторону от пассажиров в направлении энергопоглощающих структур, тогда как днище искривляется и движется вверх в доступное ему пространство, предпочтительно без контакта с внутренним полом машины.
Последний случай является предпочтительным вариантом, поскольку движение пола вниз исключает прямой импульс силы, направленный вверх на ноги пассажиров в случае, если они контактируют с полом или связаны с ним каким-то образом. Эта конфигурация также предотвращает движение вверх на потенциально летальных скоростях любых незакрепленных предметов, контактирующих с полом, например ранцев, оружия, боеприпасов и т.д.
Машины с V-образными корпусами имеют несколько недостатков, которые технология VAFS может до некоторой степени нивелировать. Днищевая плита на таких машинах, как правило, расположена под очень острым углом, а это ограничивает доступное внутреннее пространство и увеличивает высоту машины и ее центр тяжести. Уменьшение внутреннего пространства в любом транспортном средстве сказывается неблагоприятно и, особенно в машине перевозящей личный состав. Во-вторых, увеличивая высоту транспортного средства, вы увеличиваете его силуэт, представляющий собой более крупную цель. Наконец, подняв центр тяжести, вы тем самым повышаете вероятность переворачивания машины при резком повороте или движении по пересеченной местности. Применение технологии VAFS позволяет увеличить угол нижней части днищевой плиты машины, придав ей двуугольный профиль. Доработанный профиль листа снижает высоту машины и центр тяжести, что уменьшает силуэт и вероятность ее переворачивания. Это также позволяет опустить пол в машине и получить либо такой же, либо еще больший внутренний объем и высоту.
Технология VAFS демонстрирует фундаментальные преимущества конструкции активного поддерживания днищевой плиты
Господин Сломан затронул вопросы безопасности системы касательно чувствительности используемого ракетного топлива и неумышленной активации системы. Принимая во внимание характеристики двигателя и системы выброса массы, ракетное топливо представляет собой обычную смесь совместимую с нынешними британскими требованиями к малочувствительным боеприпасам. Система выброса массы использует существующий коммерческий, но полностью совместимый с малочувствительными боеприпасами источник энергии.
С целью уменьшения баллистического воздействия на активные части двигателей и исключения проникновения газов высокого давления и газообразных продуктов разложения ракетного топлива, имеющих высокие температуры, для обитаемого отделения были выбраны две стратегии. Первая – энергетические компоненты системы размещаются между полом и днищевой плитой, чтобы вместить все выделившееся газы; и вторая – применен более прочный материал для корпусов реактивных двигателей для того, чтобы они могли выдержать баллистическое воздействие.
В компании ABBS заявляют, что в случае самопроизвольного срабатывания системы результат зависит от числа инициированных двигателей. Если воспламеняется одиночный двигатель, он с силой опускает соответствующую зону машины вниз, при этом воздействие на внутренние компоненты машины минимальны благодаря ее подвеске и массе. При одновременном срабатывании всех двигателей машина может быть отброшена вниз силами эквивалентными силам, необходимым чтобы остановить движение транспортного средства вверх в случае подрыва на СВУ. Хотя создаваемые силы подобны силам при подрыве на СВУ, они направлены в противоположную сторону, при этом подвеска машины позволяет «вписать» их действие в относительно продолжительный период времени. Во втором случае, если пассажиры сидят на взрывопоглощающих сиденьях, существует очень небольшой риск получения травм, даже если подвеска сжимается максимально или ее ход превышен так, что днище с силой вгоняется в грунт.
Во время мартовских испытаний (2013 год) были проведены три теста. Два теста проводились на макете машины: один с двигателями, работающими в активном режиме, а второй с двигателями в пассивном состоянии, без их зажигания.
В третьем, быстро подготовленном тесте, модифицированный автомобиль Land Rover Discovery был оборудован базовой 15-мм днищевой плитой из малоуглеродистой стали и одним двигателем VAFS/VGAM. Все тесты были проведены в условиях схожих со стандартом НАТО STANAG 4569, но с применением 6-кг блина из пластичного гексагена, закопанного (на глубину 100 мм) в ненасыщенный песок, который используется обычно для ускорения процесса испытаний.
Комбинированный двигатель VAFS/VGAM создан для легких машин и внедорожников с низким клиренсом
В двух первых тестах были использованы один большой двигатель VAFS и шесть двигателей VGAM; двигатель VAFS был установлен в центральной части, а двигатели VGAM размещены вокруг него. Эти двигатели удерживались в стальной раме, состоящей из 4-мм верхнего листа и ряда днищевых пластин (15 мм, 10 мм и 25 мм), боковины рамы были изготовлены из двух стальных двутавровых балок. Пористый, энергопоглощающий материал был помещен между верхним и нижним листами. Весь испытательный стенд был установлен на дубовые лаги и подвешен на высоте 300 мм над ямой с песком с зарядом, размещенным под центром стенда. В тесте с автомобилем идентичный заряд был размещен в яме подобным же образом, высота днищевой плиты также составила 300 мм. В этот раз заряд установили на осевой линии сразу позади сидений водителя и переднего пассажира.
При подрыве во время пассивного теста стенд был поднят на высоту 3,5 метра, его центральная часть прямо над зарядом достигла пиковой скорости 28 м/с после 0,5 миллисекунды после детонации. Постоянная деформация толстого нижнего листа была нулевой, хотя пористая структура была сдавлена на 10-20 мм, что демонстрирует наличие некоторой упругой деформации.
В активном тесте стенд был поднят взрывом на высоту 1,04 м, начальная пиковая скорость 7,7 м/с около центра конструкции была достигнута за 4,5 миллисекунды. Днищевая плита была сдвинута с верхней части испытательного стенда и деформирована в своей центральной части на 180 мм вниз, при этом минимальное сдавливание пористой структуры не превысило 5 мм.
Активный тест был засчитан как успешный, он показал, что начальная скорость ускорения может быть значительно снижена и общий импульс в большой степени нейтрализован. В действительности, испытание не было проведено по намеченному плану. Изначально планировалось запустить шесть небольших двигателей в замедленной последовательности, чтобы получить соответствие кривой «сила/время», но потом решили инициировать все двигатели одновременно. После теста было высказано предположение, что если бы была применена изначальная последовательность воспламенения, то общее ускорение и результирующее подбрасывание вверх на 1,04 м могло бы быть полностью исключено.
В третьем тесте с автомобилем Land Rover Discovery передняя часть машины была подброшена на пиковую высоту 2 метра, а задняя часть на 1 метра. Днищевый лист был вытолкнут вверх и деформирован почти на 150 мм в районе передних углублений для ног и не был деформирован в районе задних углублений для ног. Фактически корпус машины не был поврежден вследствие прямого воздействия взрывной волны; за исключением двух выпавших окон с левой стороны вследствие упругой деформации корпуса, все стекла остались на месте.
Тест был признан успешным, хотя двигатель сгенерировал всего половину величины импульса с вдвое меньшей продолжительностью по сравнению с итоговым вариантом системы. Как и предполагалось, в окончательном варианте будет использован более мощный двигатель или набор двигателей с меньшим диаметром.
Используя результаты тестов, компания в настоящее время оценивает различные конструктивные решения и проводит добавочные испытания с целью получения дополнительных данных о характеристиках с целью дальнейшего уточнения и определения массы конструкции. С целью продвижения своих продуктов и уточнения всех специфических требований компания в настоящее время проводит консультации с основными производителями военной техники в Европе и США. Компания также находится на этапе получения дополнительного финансирования от инвесторов для окончательной доработки концепции до промышленного образца и маркетинга технологии по всему миру.
Компания рассматривает рынки США, Европы и Ближнего Востока в качестве потенциальных рынков сбыта, хотя также посматривает в сторону Индии и остальной Азии. Компания не ограничивает использование технологии только военной сферой, также она намерена выйти и на коммерческий рынок.
На вопрос будет ли эта система востребована на рынке после ожидаемого вывода войск из Афганистана в 2014 году, в компании отвечают, что хотя западные военные и силы НАТО могут рассматривать СВУ как сниженную, с небольшим приоритетом угрозу, применение СВУ и мин никуда не исчезнет.
Осознаваемое применение СВУ и мин в долгосрочной перспективе и преимущества, которые обеспечивает активная система, означают, что потребность в таких системах вряд ли упадет. «Долгая жизнь» этой угрозы означает, что конструктивные стандарты для таких систем необходимо уточнить и согласовать, прежде всего, это касается стандарта НАТО STANAG.
Для защиты интеллектуальной собственности компания в 2008 году запатентовала основную концепцию генерирования и применения противодействующей силы с целью противодействия силам взрывной волны. Дополнительно к этому основному патенту компания имеет от пяти до десяти других патентов описывающих технологию концепции VAFS и подробную конструкцию системы. При необходимости область действия текущих британских патентов может быть расширена до глобального уровня. В настоящее время компания ищет партнеров для дальнейшего мирового охвата технологии.
Нынешняя ситуация состоит в том, что проверены все основные концепции системы, доступны все специфические варианты конструкции, которые могли бы соответствовать любому разумному требованию. Для производителей компонентов бронированных машин и военных осталось только решить какой тип защиты и какого уровня они хотели бы встроить в конструкции своих базовых машин или добавить в качестве модернизации.
Использованы материалы:
Jane's International Defence Review
www.advanced-blast.com
Информация