Керамика на защите жизней
К началу семидесятых годов прошлого века у военных всего мира сформировалась потребность в новых средствах защиты личного состава и техники от существующих и перспективных средств поражения. Одним из видов защиты, которая могла исправить ситуацию, была керамическая броня. Подобные материалы имеют большую твердость, нежели большинство металлов, что можно было использовать в области защиты людей и техники. В то же время, керамика имела ряд недостатков. Поэтому работы в области керамической брони начались с исследования различных материалов и сортов.
По результатам испытаний наиболее пригодными для использования в бронировании были признаны корундовые, карбидоборные и карбидокремниевые сорта керамики. Именно они и были использованы на первых отечественных средствах защиты с керамическими элементами. К середине 80-х было налажено массовое производство бронежилетов Ж-86 «Улей», в которых использовалась керамическая плитка из карбида бора. Некоторые серии этих бронежилетов, ввиду различных технологических нюансов их изготовления, до сих пор считаются образцовыми средствами индивидуальной защиты. При этом нельзя не отметить одну неприятную особенность бронежилета, основанного на керамических плитках. При попадании пули последние разрушались, чем поглощали энергию пули. В случае с единичным попаданием этого было достаточно, но при повторных попаданиях наполнитель бронежилета трескался до такой степени, что происходило, как минимум, ощутимое снижение уровня защиты. Более того, при определенных обстоятельствах бронежилет мог стать вовсе бесполезным.
К моменту появления «Ульев» на основе карбидоборной керамики работы по подобной броне шли в основном в направлении средств индивидуальной защиты. Дело в том, что бронирование тяжелой техники, например, танков должно выдерживать на порядки большие нагрузки, нежели бронежилет солдата. Корундовые и карбидокремниевые сорта керамики с этой задачей справлялись, но ученые НИИ Стали уже в начале 80-х начали сомневаться в перспективах такой защиты. Поэтому проект дополнительных модулей бронирования для танков не пошел дальше опытных работ. К тому же в то время куда более перспективным средством дополнительной защиты танка посчитали системы динамической защиты, на которые и был сделан основной упор. С тех пор развитие керамического бронирования идет небыстро, да и суровые девяностые не могли не сказаться на успехах инженеров.
Тем не менее, за прошедшие годы ведущие предприятия отрасли сумели сохранить свой опыт и воспользоваться им при создании новых технологий. Рассмотрим достижения НИИ Стали. Одной из последних разработок этой организации является композитная броня на основе керамики и полимеров. Суть этого ноу-хау заключается в изготовлении «бутерброда» из карбидоборовых сортов керамики (его производит саровский ВНИИЭФ) и высокомолекулярного полиэтилена (ОНПП «Технология»). Такое решение позволило сделать композитные листы, обеспечивающие защиту класса 6а (7,62-мм бронебойно-зажигательная пуля Б-32) при весе порядка 36-38 кг на квадратный метр. Кроме того, на основе этой технологии удалось создать другой вид бронирования, в котором используются карбид кремния и сверхвысокомолекулярный полиэтилен. При защите на уровне класса 6а такая структура весит в пределах 39-40 кг на квадратный метр. Обе эти защитные структуры имеют преимущества перед корундовыми и стальными. Прежде всего, они выигрывают в весе. Для сравнения, квадратный метр корундовой бронеплитки будет весить порядка 45-50 кг. Второе преимущество – твердость и, как следствие, лучший уровень защиты и меньшая потребная толщина. Однако за малый вес и высокую твердость приходится платить в самом прямом смысле слова. Керамико-полиэтиленовая защитная структура стоит гораздо больше броневой стали или керамических плиток старой конструкции. Кроме того, «в наследство» от старой керамической брони новые многослойные структуры получили хрупкость и сравнительно низкую живучесть. Они по-прежнему теряют свои свойства после попадания пули/снаряда и не подлежат какому-либо ремонту.
Собственно, повышение живучести защитных структур в настоящее время является одной из главных задач ученых и инженеров всего мира. Сейчас результатом, к которому следует стремиться, считается обеспечение живучести защиты, как минимум, при одном попадании на квадратный дециметр площади. Для этого нужно выполнять защиту не сплошной, а наборной из множества небольших плиток. Благодаря этому разрушение одной плитки не приводит к выведению из строя всей бронепанели. В НИИ Стали удалось значительно приблизится к эталонным показателям, хотя последние разработки все еще не могут сравниться с ними. 5-7 квадратных дециметров керамико-полимерной структуры, сделанной в НИИ Стали, могут выдержать не более двух выстрелов из оружия, соответствующего расчетному уровню защиты. В перспективе сотрудники института хотят довести живучесть своих разработок до трех попаданий на квадратный дециметр.
Помимо разработки непосредственно средств защиты, НИИ Стали занимается созданием методик их испытаний и оценки характеристик. Сотрудники научно-исследовательского института одними из первых в мире ввели в практику численные оценки параметров проникновения пули в бронепанель и ее движения внутри защиты. Эти оригинальные методики позволяют не только выяснять характеристики того или иного материала, но и производить более глубокое сравнение их параметров. Такое сравнение дает возможность выявлять какие либо серьезные проблемы защитной структуры на ранних стадиях и не давать им развиваться до состояния серьезных неразрешимых «болезней».
Одним из наиболее перспективных способов улучшения уровня защиты многослойных керамических структур является использование дисперсных систем. Из-за своих габаритных и массовых параметров дисперсно-керамические защитные структуры более удобны для применения на различной технике. Созданием такой брони в нашей стране занимается Научно-производственный центр «Сплав». Представленные образцы дисперсных систем этого центра состоят из трех слоев – декоративного, дробящего и задерживающего. Первый и третий слои изготовляются в виде плоских пластин, либо деталей соответствующего формы. Средний же слой (дробящий) состоит из множества небольших цилиндров или призм шестиугольного сечения. Их диаметр находится в пределах 13-30 мм, а торцы выполнены закругленными. Форма цилиндров/призм дробящего слоя рассчитана таким образом, чтобы боеприпас, соответствующий целевому уровню защиты, при столкновении с ними разрушался за счет возникновения продольных и поперечных перегрузок. Правда, сами цилиндры под ударом пули или снаряда тоже разрушаются. Работа дисперсно-керамической структуры выглядит следующим образом: при попадании в такую бронепанель пуля или снаряд теряет часть своей энергии, тратя ее на пробивание декоративного слоя. Изменением его материала можно серьезно влиять на уровень защиты. После преодоления верхнего слоя боеприпас сталкивается с цилиндрами или призмами дробящего слоя и затрачивает почти всю оставшуюся энергию на их разрушение, а кроме того, сам дробится на осколки. Остатки пули останавливаются внутренним задерживающим слоем. Отдельно стоит отметить, что элементы среднего слоя могут быть не только просто вставлены между первым и третьим слоем в «плотном строю», но и соединены друг с другом небольшими полимерными перемычками. В таком случае эффективность бронепанели повышается за счет расходования энергии пули на смещение цилиндров. Эластично закрепленные элементы дробящего слоя «съедают» еще больше энергии боеприпаса.
Идея дисперсно-керамического бронирования кроме прочего интересна тем, что подобный подход позволяет достичь определенных преимуществ не только перед традиционной металлической броней, но и перед керамикой. Дисперсно-керамические панели дешевле в изготовлении, проще в технологическом плане, а главное – обладают большей живучестью. Подобные защитные структуры имеют показатели допустимого количества попаданий на единицу площади на уровне стали. Наконец, разбитые элементы дробящего слоя могут быть относительно быстро и просто удалены и заменены новыми. Такой же ремонт можно провести и с остальными слоями, после чего бронепанель снова будет пригодна для эксплуатации. Что касается весовых показателей, то дисперсная броня при одинаковом уровне защиты в два с лишним раза легче стальной.
НПЦ «Сплав» довел до готовности к серийному производству дисперсные панели 6-го класса защиты. Эта броня предназначена для установки на автомобильную и авиационную технику. Технологии позволяют изготовлять бронепанели размером до 1200х1000 мм. Более того, при некоторых доработках производственного оборудования размер листа может быть увеличен до 2-3 метров. При использовании декоративного и дробящего слоя, изготовленных из керамики, и 8-мм алюминиевого задерживающего слоя такая защитная структура весит не более 60 кг на квадратный метр площади. Экспериментальные образцы броневых панелей, в том числе и большой площади, при тестовых обстрелах выдерживали попадание как крупнокалиберных пуль калибра 12,7 и 14,5 мм, так и 30-мм пушечных снарядов. Естественно, для обеспечения защиты от последних панель должна иметь большую толщину, большую массу и т.п.
Как видим, нынешняя керамическая броня имеет неплохие защитные свойства. В то же время, развитие технологий и материалов не стоит на месте. Специалисты в области керамической брони полагают, что основное внимание в будущем стоит уделять именно материалам. Основная проблема в области керамических материалов касается того, что бронепанели имеют неоднородный уровень защиты – к краю они менее стойки к попаданиям. Поэтому, в частности, сейчас нельзя оснастить какую-либо машину только керамическими панелями. В таком случае возникает необходимость усиления краев панелей и их стыков. Как следствие, приходится внедрять дополнительные элементы защиты, что, в конечном счете, «дарит» конструкции все минусы керамики, но при этом не дает значимого выигрыша в массе брони. Кроме того, в настоящее время актуальным направлением развития бронетехники являются автомобили, стойкие к подрыву мин и обстрелу из стрелкового оружия. Такая техника обозначается англоязычным термином MRAP. На подобных броневиках керамическая броня может обеспечить только защиту от пуль. Что касается уменьшения последствий взрыва, то в этом отношении корунд или карбиды не обеспечивают требуемой защиты: под воздействием ударной волны они крошатся, после чего не способны задерживать осколки.
Также стоит развивать направление композиционных защитных структур. К примеру, панельные элементы бронирования из карбида кремния оказываются в достаточной мере эффективными против бронебойных снарядов малокалиберных пушек, в том числе и с сердечниками на основе вольфрама. При одинаковой стойкости к таким боеприпасам карбидокремниевые панели имеют почти на четверть меньший вес, чем стальные. Кроме того, значительное повышение уровня защиты возможно при применении дисперсионной системы.
В целом, можно со спокойной совестью признать, что отечественная отрасль разработки и производства керамической бронезащиты имеет хорошее прошлое и неплохой потенциал. В то же время, государственная поддержка исследований точно не повредит развитию технологий. Конечно, керамическое бронирование имеет свои недостатки, которые не позволяют сделать из него нечто универсальное и обладающее исключительно плюсами. Несмотря на это, керамическое бронирование в ближайшие годы точно останется одним из основных направлений обеспечения защиты личного состава и техники.
По материалам сайтов:
http://niistali.ru/
http://vpk.name/
http://arms-expo.ru/
http://btvt.narod.ru/
http://saperka.ru/
Керамическая панель перед испытаниями. Фото ОАО «НИИ Стали»
Керамическая панель после испытания. Фото ОАО «НИИ Стали»
Керамическая панель снята. Фото ОАО «НИИ Стали»
По результатам испытаний наиболее пригодными для использования в бронировании были признаны корундовые, карбидоборные и карбидокремниевые сорта керамики. Именно они и были использованы на первых отечественных средствах защиты с керамическими элементами. К середине 80-х было налажено массовое производство бронежилетов Ж-86 «Улей», в которых использовалась керамическая плитка из карбида бора. Некоторые серии этих бронежилетов, ввиду различных технологических нюансов их изготовления, до сих пор считаются образцовыми средствами индивидуальной защиты. При этом нельзя не отметить одну неприятную особенность бронежилета, основанного на керамических плитках. При попадании пули последние разрушались, чем поглощали энергию пули. В случае с единичным попаданием этого было достаточно, но при повторных попаданиях наполнитель бронежилета трескался до такой степени, что происходило, как минимум, ощутимое снижение уровня защиты. Более того, при определенных обстоятельствах бронежилет мог стать вовсе бесполезным.
К моменту появления «Ульев» на основе карбидоборной керамики работы по подобной броне шли в основном в направлении средств индивидуальной защиты. Дело в том, что бронирование тяжелой техники, например, танков должно выдерживать на порядки большие нагрузки, нежели бронежилет солдата. Корундовые и карбидокремниевые сорта керамики с этой задачей справлялись, но ученые НИИ Стали уже в начале 80-х начали сомневаться в перспективах такой защиты. Поэтому проект дополнительных модулей бронирования для танков не пошел дальше опытных работ. К тому же в то время куда более перспективным средством дополнительной защиты танка посчитали системы динамической защиты, на которые и был сделан основной упор. С тех пор развитие керамического бронирования идет небыстро, да и суровые девяностые не могли не сказаться на успехах инженеров.
Тем не менее, за прошедшие годы ведущие предприятия отрасли сумели сохранить свой опыт и воспользоваться им при создании новых технологий. Рассмотрим достижения НИИ Стали. Одной из последних разработок этой организации является композитная броня на основе керамики и полимеров. Суть этого ноу-хау заключается в изготовлении «бутерброда» из карбидоборовых сортов керамики (его производит саровский ВНИИЭФ) и высокомолекулярного полиэтилена (ОНПП «Технология»). Такое решение позволило сделать композитные листы, обеспечивающие защиту класса 6а (7,62-мм бронебойно-зажигательная пуля Б-32) при весе порядка 36-38 кг на квадратный метр. Кроме того, на основе этой технологии удалось создать другой вид бронирования, в котором используются карбид кремния и сверхвысокомолекулярный полиэтилен. При защите на уровне класса 6а такая структура весит в пределах 39-40 кг на квадратный метр. Обе эти защитные структуры имеют преимущества перед корундовыми и стальными. Прежде всего, они выигрывают в весе. Для сравнения, квадратный метр корундовой бронеплитки будет весить порядка 45-50 кг. Второе преимущество – твердость и, как следствие, лучший уровень защиты и меньшая потребная толщина. Однако за малый вес и высокую твердость приходится платить в самом прямом смысле слова. Керамико-полиэтиленовая защитная структура стоит гораздо больше броневой стали или керамических плиток старой конструкции. Кроме того, «в наследство» от старой керамической брони новые многослойные структуры получили хрупкость и сравнительно низкую живучесть. Они по-прежнему теряют свои свойства после попадания пули/снаряда и не подлежат какому-либо ремонту.
Собственно, повышение живучести защитных структур в настоящее время является одной из главных задач ученых и инженеров всего мира. Сейчас результатом, к которому следует стремиться, считается обеспечение живучести защиты, как минимум, при одном попадании на квадратный дециметр площади. Для этого нужно выполнять защиту не сплошной, а наборной из множества небольших плиток. Благодаря этому разрушение одной плитки не приводит к выведению из строя всей бронепанели. В НИИ Стали удалось значительно приблизится к эталонным показателям, хотя последние разработки все еще не могут сравниться с ними. 5-7 квадратных дециметров керамико-полимерной структуры, сделанной в НИИ Стали, могут выдержать не более двух выстрелов из оружия, соответствующего расчетному уровню защиты. В перспективе сотрудники института хотят довести живучесть своих разработок до трех попаданий на квадратный дециметр.
Помимо разработки непосредственно средств защиты, НИИ Стали занимается созданием методик их испытаний и оценки характеристик. Сотрудники научно-исследовательского института одними из первых в мире ввели в практику численные оценки параметров проникновения пули в бронепанель и ее движения внутри защиты. Эти оригинальные методики позволяют не только выяснять характеристики того или иного материала, но и производить более глубокое сравнение их параметров. Такое сравнение дает возможность выявлять какие либо серьезные проблемы защитной структуры на ранних стадиях и не давать им развиваться до состояния серьезных неразрешимых «болезней».
Одним из наиболее перспективных способов улучшения уровня защиты многослойных керамических структур является использование дисперсных систем. Из-за своих габаритных и массовых параметров дисперсно-керамические защитные структуры более удобны для применения на различной технике. Созданием такой брони в нашей стране занимается Научно-производственный центр «Сплав». Представленные образцы дисперсных систем этого центра состоят из трех слоев – декоративного, дробящего и задерживающего. Первый и третий слои изготовляются в виде плоских пластин, либо деталей соответствующего формы. Средний же слой (дробящий) состоит из множества небольших цилиндров или призм шестиугольного сечения. Их диаметр находится в пределах 13-30 мм, а торцы выполнены закругленными. Форма цилиндров/призм дробящего слоя рассчитана таким образом, чтобы боеприпас, соответствующий целевому уровню защиты, при столкновении с ними разрушался за счет возникновения продольных и поперечных перегрузок. Правда, сами цилиндры под ударом пули или снаряда тоже разрушаются. Работа дисперсно-керамической структуры выглядит следующим образом: при попадании в такую бронепанель пуля или снаряд теряет часть своей энергии, тратя ее на пробивание декоративного слоя. Изменением его материала можно серьезно влиять на уровень защиты. После преодоления верхнего слоя боеприпас сталкивается с цилиндрами или призмами дробящего слоя и затрачивает почти всю оставшуюся энергию на их разрушение, а кроме того, сам дробится на осколки. Остатки пули останавливаются внутренним задерживающим слоем. Отдельно стоит отметить, что элементы среднего слоя могут быть не только просто вставлены между первым и третьим слоем в «плотном строю», но и соединены друг с другом небольшими полимерными перемычками. В таком случае эффективность бронепанели повышается за счет расходования энергии пули на смещение цилиндров. Эластично закрепленные элементы дробящего слоя «съедают» еще больше энергии боеприпаса.
Идея дисперсно-керамического бронирования кроме прочего интересна тем, что подобный подход позволяет достичь определенных преимуществ не только перед традиционной металлической броней, но и перед керамикой. Дисперсно-керамические панели дешевле в изготовлении, проще в технологическом плане, а главное – обладают большей живучестью. Подобные защитные структуры имеют показатели допустимого количества попаданий на единицу площади на уровне стали. Наконец, разбитые элементы дробящего слоя могут быть относительно быстро и просто удалены и заменены новыми. Такой же ремонт можно провести и с остальными слоями, после чего бронепанель снова будет пригодна для эксплуатации. Что касается весовых показателей, то дисперсная броня при одинаковом уровне защиты в два с лишним раза легче стальной.
НПЦ «Сплав» довел до готовности к серийному производству дисперсные панели 6-го класса защиты. Эта броня предназначена для установки на автомобильную и авиационную технику. Технологии позволяют изготовлять бронепанели размером до 1200х1000 мм. Более того, при некоторых доработках производственного оборудования размер листа может быть увеличен до 2-3 метров. При использовании декоративного и дробящего слоя, изготовленных из керамики, и 8-мм алюминиевого задерживающего слоя такая защитная структура весит не более 60 кг на квадратный метр площади. Экспериментальные образцы броневых панелей, в том числе и большой площади, при тестовых обстрелах выдерживали попадание как крупнокалиберных пуль калибра 12,7 и 14,5 мм, так и 30-мм пушечных снарядов. Естественно, для обеспечения защиты от последних панель должна иметь большую толщину, большую массу и т.п.
Как видим, нынешняя керамическая броня имеет неплохие защитные свойства. В то же время, развитие технологий и материалов не стоит на месте. Специалисты в области керамической брони полагают, что основное внимание в будущем стоит уделять именно материалам. Основная проблема в области керамических материалов касается того, что бронепанели имеют неоднородный уровень защиты – к краю они менее стойки к попаданиям. Поэтому, в частности, сейчас нельзя оснастить какую-либо машину только керамическими панелями. В таком случае возникает необходимость усиления краев панелей и их стыков. Как следствие, приходится внедрять дополнительные элементы защиты, что, в конечном счете, «дарит» конструкции все минусы керамики, но при этом не дает значимого выигрыша в массе брони. Кроме того, в настоящее время актуальным направлением развития бронетехники являются автомобили, стойкие к подрыву мин и обстрелу из стрелкового оружия. Такая техника обозначается англоязычным термином MRAP. На подобных броневиках керамическая броня может обеспечить только защиту от пуль. Что касается уменьшения последствий взрыва, то в этом отношении корунд или карбиды не обеспечивают требуемой защиты: под воздействием ударной волны они крошатся, после чего не способны задерживать осколки.
Также стоит развивать направление композиционных защитных структур. К примеру, панельные элементы бронирования из карбида кремния оказываются в достаточной мере эффективными против бронебойных снарядов малокалиберных пушек, в том числе и с сердечниками на основе вольфрама. При одинаковой стойкости к таким боеприпасам карбидокремниевые панели имеют почти на четверть меньший вес, чем стальные. Кроме того, значительное повышение уровня защиты возможно при применении дисперсионной системы.
В целом, можно со спокойной совестью признать, что отечественная отрасль разработки и производства керамической бронезащиты имеет хорошее прошлое и неплохой потенциал. В то же время, государственная поддержка исследований точно не повредит развитию технологий. Конечно, керамическое бронирование имеет свои недостатки, которые не позволяют сделать из него нечто универсальное и обладающее исключительно плюсами. Несмотря на это, керамическое бронирование в ближайшие годы точно останется одним из основных направлений обеспечения защиты личного состава и техники.
По материалам сайтов:
http://niistali.ru/
http://vpk.name/
http://arms-expo.ru/
http://btvt.narod.ru/
http://saperka.ru/
Информация