Обзор сидений, смягчающих воздействие взрывной волны
Взрывные испытания машины FV432. Видны инструменты, летающие вокруг манекена. Это свидетельствует об опасности незакрепленного оборудования в случае взрыва. Обучение значительно повышает вероятность выживания при подрыве на мине или СВУ. При этом первостепенное значение имеют ремни крепления и правильное размещение оборудования, это основа безопасности солдата
Взрывозащищенные сиденья, часто воспринимаемые как само собой разумеющееся, повышают уровень выживаемости при подрыве на минах и СВУ. Рассматриваются новые разработки в области повышения защиты. Сиденья, смягчающие воздействие взрыва, не являются новым феноменом, еще машины советской эпохи были оборудованы сиденьями, крепящимися к крыше и бортам. Но в последние годы в этой сфере особенно быстро шло развитие технологий и конструкций наряду с развитием минозащищенных машин, которые стали обычным явлением на поле боя.
До недавнего времени все внимание было, несомненно, направлено на решения по защите от мин и самодельных взрывных устройств (СВУ) транспортного средства, а не людей внутри него, так как очевидно, что предотвращение пробивания машины является самым важным и самым настоятельным требованием в случае подрыва.
Статистика боевых действий в Ираке и Афганистане показывает, что машины стали более защищенными и живучими, число раненных и убитых по большей части снизилось. Впрочем, фактически увеличилось число некоторых типов ранений и удивительно высоким остается количество смертей в результате вторичных воздействий, даже в машинах оборудованных элементарными энергопоглощающими сиденьями.
Одной из самых важных и актуальных проблем в этой сфере является так называемый «эффект швыряния», вызываемый огромным отрицательным ускорением машины, подбрасываемой в воздух и затем резко приземляющейся обратно на грунт.
Статистика потерь всегда засекречена, но эпизодические свидетельства медиков в Афганистане свидетельствовали о том, что число смертельных случаев уменьшилось, но при этом полевые госпитали и основные медицинские учреждения продолжали оказывать большой объем физиотерапевтических процедур и соответствующего лечения для выживших. Врачи помогали военнослужащим справляться с травмами спины, мускулатуры и суставов, которые некоторое время оставались незамеченными, так как солдаты просто не выживали в таких случаях.
Современные взрывозащищенные сиденья выпускаются самых различных типов и конструкций. В общем и целом, первые успешные конструкции представляли собой стандартные сиденья экипажа, которые крепились к бортам или крыше машины. Они снижали силу удара, возникавшую вследствие деформации днища машины и воздействовавшую непосредственно на сидящего.
В этой связи другой подход может быть проиллюстрирован на примере сиденья, конструктивно представляющее собой так называемое подвешенное динамическое сиденье (Suspended Dynamic Seat), разработанное компанией Autoflug. Компания имеет очень большой опыт работы с парашютными стропами и в этой конструкции она стремится изолировать солдата от действия взрывной волны и незакрепленных предметов внутри машины за счет подвешивания сиденья на натяжных ремнях с инерционными катушками. В других сиденьях этого типа также используются тканевые и веревочные крепления, так как они не передают силы сжатия, которые очень хорошо передаются через металл.
До семи ремней могут крепить сиденье Autoflug, давая свободу движений и регулировки, но при этом предохраняя солдата от прямого воздействия взрыва. Пользователь удерживается на сиденье четырехточечными ремнями безопасности и ножными стропами, которые при взрыве служат для фиксации движущихся вверх конечностей, что может повлечь за собой дополнительные травмы и ранения.
Необходимо понимать, что ремни безопасности являются абсолютно необходимой частью конструкции сиденья и если они не будут удобными или их трудно будет набросить поверх бронежилета или снаряжения, то солдаты не наденут их и при подрыве мгновенно потеряют преимущества любого взрывозащищенного сиденья.
Такие подвесные конструкции до сих пор популярны и широко распространены, особенно в тяжелых машинах, например основных боевых танках (ОБТ). Такие машины в большинстве случаев не получают большого ускорения, если только не подорвутся на очень крупных зарядах. Свобода движения, которую они позволяют иметь при обычной эксплуатации, может вызывать необычные ощущения на первых порах, так как очевидно, что органы управления машиной статичны, а пользователь может смещаться относительно них, но экипаж быстро привыкает к такой свободе движений.
Однако, проблема становится гораздо сложнее для меньших по размеру транспортных средств, где конструкторы обычно стоят перед лицом двух основных проблем. Во-первых, меньшая масса означает, что воздействие взрыва гораздо сильнее и, следовательно, необходимо уменьшать большие силы, и, во-вторых, будучи меньшего размера, сиденья должны устанавливаться на относительно небольшой опорной поверхности.
Тем не менее, во всем мире ведется огромное число работ по разработке соответствующих сидений и финансовые вознаграждения за них весьма значительны в связи с тем, что США среди прочих стран, имеют сильное желание заменить все сиденья своего огромного парка бронированных автомобилей типа HMMWV на взрывозащищенные варианты. По словам специалистов это нелегкая задача, так как такие автомобили в известной степени имеют ограниченный внутренний объем, и потребуется очень эффективно использовать примерно 7,5 дюймов пространства под сиденьем для обеспечения приемлемого уровня защиты. Впрочем, испытания, проведенные по этой программе, показали, что эта задача имеет решение.
Когда Великобритания начала рассматривать возможность передачи ныне вездесущей машины Jackal из чисто специальных сил в регулярную пехоту в Афганистане, компаниям Supacat и Jankel Armouring были выданы контракты для решения этих вопросов на возможно самом проверенном типе машин. Управляющий директор Jankel Эндрю Джанкель сообщил, что первоначально участие компании состояло только в обеспечении бронирования, и она хотела купить готовые сиденья, но изучение рынка и опыт поставок таких изделий (крайне отрицательный) «подвигли» компанию на то, чтобы разработать свою собственную конструкцию.
Эти сиденья были спроектированы в сжатые сроки и прошли успешные взрывные испытания. Под обозначением JBAS (Jankel Blast Attenuating Seats – сиденья Jankel уменьшающие воздействие взрыва) они были одобрены и приняты для срочной программы модернизации этой компании.
Это были относительно простые, монтируемые к полу сиденья, с амортизатором толчков, в которых пространство под сиденьями использовалось для смягчения движения вверх и снижения воздействия взрывной волны на сидящих.
Компания Jankel продолжила разработку конструкции, что в 2009 году привело к выпуску семейства сидений Blastech. Эти сиденья выпускаются разных вариантов с различными креплениями для самых разных машин. Вариант, устанавливаемый в Jackal, известен как серия F, имеет «противолодочное» основание, которое предотвращает выскальзывание сидящего из под своих четырехточечных ремней безопасности; сиденье регулируется вперед-назад, по высоте и повороту. Также доступно сиденье в складном варианте для увеличения внутреннего пространства в машине.
Вариант, крепящийся к крыше или корме доступен под обозначением серии R, в основном он создан для десанта, сидящего в кормовой части, и стандартно идет со складывающимся основанием. E-серия для инженерных машин (разработанная для британской машины разграждения Talisman JCB) имеет противовзрывную защиту, как и остальные сиденья, но в этом варианте добавлена встроенная пневматическая подвеска для смягчения тряски при движении по пересеченной местности, на которой эти машины в основном и работают.
Наконец последний вариант – это серия X, в которую входят несколько вариантов, например складная спинка, большая регулировка по высоте для походного и боевого положений, плюс варианты для установки в башне, корме, с креплением к бортам и днищу.
Все сиденья в основном предлагают одинаковую противовзрывную защиту, но разработаны для разных требований по стоимости и массе или площади опорной поверхности. Хотя компания Jankel держит в секрете уровень защиты предлагаемых сидений, понятно, что они могут выдержать пиковые ускорения более 2000 G за 2 миллисекунды, передавая сидящему только часть этих нагрузок.
Поглощение взрывной волны происходит за счет наполненного газом «ослаблющего патрона» и направляющих, что позволяет машине двигаться вверх в пространстве под сиденьем, в то время как патрон смягчает ударную волну до приемлемого уровня. Впрочем, менеджер по продажам компании Jankel Дэниел Кросби сказал, что основными отличительными особенностями сидений Blastech является их автоматическая настройка массы и функция возврата в исходное положение.
Компания Jankel разработала продвинутые аналитические инструменты для моделирования воздействия взрыва на сиденья семейства Blastech; это видно на примере установленных в Supacat Jackal сидений (вверху). Компания также имеет свои собственные инструментальные манекены и ударный стенд для подтверждения компьютерных расчетов
Регулировка по массе
Кросби утверждает, что ранние противовзрывные сиденья были в основном спроектированы для достаточно крупных пехотинцев, но в связи с тем, что угроза СВУ повысилась и в настоящее время перед лицом этой угрозы стоит каждое транспортное средство на ТВД, подход «один размер подходит всем» не оправдывает себя. Если коротко, то солдаты с большей массой подвергаются риску не получая достаточной защиты, так как машина подпрыгивает под ними и сиденье может перевернуться в конце своего хода, тогда как обратное верно для более легких солдат. Также, размеры и масса солдата могут колебаться из-за наличия бронежилета, поясных сумок или другого снаряжения.
Чтобы решить эту проблему в сиденья Blastech установили автоматическую регулировку массы. Сидящий может при помощи рычажка установить оптимальный для своей массы уровень снижения силы воздействия ударной волны.
Функция возврата в исходное положение – это патентованная особенность сидений, которая позволяет поглощать направленную вверх ударную волну, скользя по направляющим, а затем перезагружать смягчающую капсулу для амортизации вторичных сил «швыряния», обеспечивая при этом защиту по обеим осям. По словам Кросби, в действительности это позволяет использовать минимум 160 процентов пространства под сиденьем.
Доступны сиденья либо с ремнями безопасности с инерциальными катушками, крепящиеся в четырех или пяти точках, либо с фиксированными ткаными ремнями.
Компания Jankel провела расширенные испытания своих сидений на падение, отрыв воздействие ударной волны. Они отлично зарекомендовали себя при установке на различные машины, эксплуатирующиеся в горячих точках. Компания также разработала продвинутое компьютерное тестирование с целью обоснования моделей в системе автоматизированного проектирования и предсказания слабых мест, при этом его результаты Кросби оценил как очень близкие к результатам натурных взрывных испытаний.
Сиденья могут быть повторно использованы, в них установлены контрольные микросхемы для проверки повреждений. Тем не менее, ежедневно необходимо проводить несколько простых проверок для записи в профиль пользователя с целью обеспечения адекватной ответной реакции. В компании Jankel сказали, что разработали ряд запасных комплектов для ремонта сидений и поддержания их в исправном состоянии.
Еще одним участником рынка противовзрывных сидений является компания Creation UK, чье желание выпустить свое сиденье в начале 2010 года было очень схоже со стремлением компании Jankel.
Технический директор Робин Холл говорит, что в компании разочаровались в существующих конструкциях и производителях, которые поставляли сиденья для машины Ranger. Эту машину Creation создала совместно с компанией Universal Engineering, а затем использовала этот опыт при разработке своей легкой патрульной машины Zephyr.
«Мы просто не могли найти сиденье с подходящей массой и характеристиками», – сказал он, добавив, что «существующие конструкции также казались довольно дорогими».
Как результат, компания Creation начала проектирование своего собственного сиденья на компьютере в программе Catia v5, взяв за основу работы своего подразделения Iliac Design, которые та провела над ортопедическими и остеопатическими сиденьями. Дейвис сказал, что первичные испытания стального рамного макета во время проведения двух взрывных тестов в соответствии с STANAG 4569 Уровень 2 «не совпали в точности» с компьютерным анализом, поэтому компания готовит свой собственный стенд для продолжения ударных испытаний и их уточнения, а также дальнейшего развития и подтверждения метода конечных элементов и динамического анализа.
Итоговая основная конструкция сделана из алюминия (для снижения массы), в ней использованы пружины, демпферы и резиновый буфер для снижения последствий взрыва. Пружина и демпфер представляют собой готовые серийные изделия, но все остальное сделано на заказ.
Холл отказался назвать уровень защиты, который обеспечивают сиденья, но сказал, что они прошли испытания на разрушение. Испытания подтвердили расчеты о постепенном выходе из строя этих сидений и «вполне очевидно, что в случае подрыва сиденье выполнит свои функции».
Он сказал, что конструкция базируется на недеформируемых деталях, таким образом, его можно было бы действительно регулировать и восстанавливать после «нормального» использования, включая дорожные происшествия и «прыжки через мосты», без всякого обслуживания и ремонта. В нормальном положении сиденье устанавливается на направляющих в верхнем положении рабочего хода; при сильном ударе незначительно переместится по ним, но затем возвратится в исходное положение. Холл пояснил, что это делает его эффективным при взрыве и резком «швырянии».
Стенд предусматривает многократное использование и после подрыва, сиденье проверяется угломером углом для того, чтобы убедиться, что основные компоненты не изогнуты, а во всем остальном не требует обслуживания.
Демпфер конструктивно подобен демпферам, заимствованным из подвески дорожных автомобилей и «должен выдерживать срок эксплуатации сиденья» без вопросов. Подушки сиденья крепятся креплениями Velcro (липучки) и поэтому легко заменяются.
Холл сказал, что сиденье было разработано на основе информации от Dstl (лаборатория оборонной науки и технологии), которая предложила подбедренную опору и четырехточечные ремни Securon шириной 3 дюйма, оба эти элемента были включены в конструкцию. Стив Берджис из Dstl также помог с конструкцией спинки сиденья, которая может теперь комфортно использоваться с надетым снаряжением или даже со снятым, если солдат чувствует себя не комфортно в бронежилете во время продолжительной езды. Сиденья от Creation могут крепиться в самых разных местах транспортных средств, по направлению движения или перпендикулярно ему. Холл пояснил, что конструктивно сиденья в основном идентичны, но устанавливаются в подрамник, который имеет крепления к днищу, бортам или крыше.
В настоящее время разработка и взрывные испытания завершены.
Впрочем, при необходимости в будущем могут быть проведены некоторые модификации. Например, теоретически они могут быть защищены противопульными кожухами в случае установки в открытой машине, но в этом не должно возникать необходимости, так как машины должны быть достаточно защищенными в любом случае.
Господин Холл сказал, что подножки также могут быть включены в состав сиденья. На данный момент он полагает, что в них нет необходимости в связи с тем, что Zephyr и Ranger имеют двойное днище для поглощения части энергии ударной волны и что даже складные конструкции ухудшат доступ и уменьшат внутреннее пространство.
Взрывозащищенные сиденья от Creation, установленные в машине Zephyr. Двойное днище устраняет необходимость установки подножек, но так как они прикреплены к бортам, сиденья имеют пассивные головные ограничители
Сиденья серии BLASTech от компании Jankel
Сиденья Jankel могут оборудоваться подножками, но компания также разработала свою напольную панель J-PAD (Jankel Pulse Attenuation Device – устройство ослабления импульса), устанавливаемую непосредственно перед сиденьем и поглощающую ударную энергию, которая может повредить берцовые кости сидящего.
Дэвид Кирнан, представитель американской компании производящей взрывозащищенные сиденья Global Seating Solutions (GSS), рассказал, что «подножки вызывают большие споры в промышленности; мы располагаем различными конструкциями и делаем все от нас зависящее, чтобы они были удобными и эффективными в эксплуатации. Фиксированные подножки затрудняют посадку и высадку и могут потенциально нанести увечья, так как находятся в пространстве между подножкой и днищем. В момент взрыва под машиной днище первым начинает движение и тогда нога (ступня) может быть сломана».
«Мы разработали две подножки, которые хорошо были приняты пользователями. Одни имеют складные элементы, вторые срабатывают при подрыве и убирают ноги сидящего с днища. Если не продумать надлежащим образом положение, использование и функционирование подножки, то при неправильном приложении сил к сидящему это может стать причиной определенных проблем в момент взрыва».
Противоположная часть человека – голова также заставляет разрабатывать различные головные ограничители, хотя конструкторы уже предлагают множество различных держателей, предотвращающих излишнее вращение головы в шлеме при подрыве. Они особенно нужны для солдат, сидящих перпендикулярно движению и поэтому особенно подверженных травмам шеи, спины или позвоночника, поэтому сиденья расположенные в задней части оборудованы стержневыми или обручевидными ограничителями.
Сиденье Battlesafe 208 от австралийской компании Stratos Seating представляет собой хороший пример этого довольно рудиментарного стиля защиты со своими боковыми крыльями, которые ограничивают движения головы и плеч. Помимо этого пассивного решения известно, по крайней мере, об одном производителе на рынке, который в настоящей время испытывает систему на основе воздушных подушек безопасности.
Кирнан добавил, что «активные головные ограничители имеют свои преимущества при авариях и подрывах. Существует несколько путей решения, и воздушные подушки один из них, но здесь приходится иметь дело с довольно сложной проблемой, сенсорным механизмом. Любое срабатывание подушки безопасности не вовремя может привести к серьезным последствиям, но при точной работе они представляют собой превосходную систему безопасности».
«Есть несколько механических способов добавления активного головного ограничителя к сиденью в сборе, которые очень сильно зависят от фактического события и движения сидящего в пределах сиденья, – добавил он. – Подушки безопасности демонстрируют большой потенциал в других сферах, а именно весьма перспективны ремни безопасности с воздушными подушками или сиденья, смягчающие боковое воздействие».
Компания GSS имеет несколько конструкций сидений, а ее новейший проект – это семейство сидений со встроенными пятиточечными ремнями, получившее обозначение XYZVR Generation II, разработанное совместно с Techno Sciences Inc (TSI). Аббревиатура XYZVR складывается из защиты по трем осям X, Y и Z, уменьшения вибрации (Vibration) и обеспечения защиты от опрокидывания (Rollover).
Компания TSI имеет большой опыт в разработке сидений для воздушных судов, например ковшеобразные сиденья экипажа, устанавливаемые в вертолеты SH-60 Seahawk американского ВМФ. Эти сиденья оборудованы активными антивибрационными средствами с целью повышения комфорта. Эта технология, основанная на адаптивном магнитореологическом поглощении энергии, была встроена в новейшие сиденья XYZVR.
По существу, магнитореологическая технология работает таким же образом как и активная подвеска, устанавливаемая на некоторые автомобили для получения более устойчивого движения при нажатии одной кнопки. При прохождении электрического тока через жидкостной демпфер с металлическими опилками, сопротивление при необходимости может быть увеличено или уменьшено.
Кирнан пояснил: «Наша система принимает различные массы для известного ударного импульса и если импульс изменяется, то она может изменить уровень защиты. В самом ближайшем будущем у нас будет система, которая будет подстраиваться под вес сидящего, реагировать на ускорения машины и снижать до минимума колебания машины, передаваемые телу человека».
Сиденья имеют конструкцию, допускающую многократное использование, отдельные сиденья прошли многочисленные взрывные испытания. «После активации необходима замена только одного элемента и эта замена занимает очень мало времени».
Эту технологию в свое время пытались внедрить в боевые машины EFV корпуса морской пехоты, но программа была закрыта. Другие сиденья от компании GSS уже установлены на легкие и тяжелые войсковые машины LHTV и машины типа MRAP.
Несмотря на все эти работы, источник в компании Force Protection, производящей военные машины, сказал, что имеются огромные возможности для совершенствования, но подавляющее большинство производителей сидений не имеют доступа к большей части данных о последствиях подрывов транспортных средств. Поэтому они в одиночку самостоятельно исследуют прямые воздействия на сиденье и сидящего.
Он полагает, что производители транспортных средств и систем защиты могли бы начать тесное сотрудничество в будущем за счет широкого обмена данными о взрывных испытаниях.
Господин Кирнан из GSS согласился с этим, уточнив, что в идеале проектирование должно начинаться на уровне пользователя и далее переходить на более высокие уровни. При нынешнем положении дел сначала проектируют машину, а затем устанавливают в нее сиденья. Он сказал, что «если бы мы имели производителя, который хотел бы создать грузовик, основываясь на решениях оптимальной живучести, то это было бы здорово. Но в действительности, мы работаем с пространством, которое нам выделяется и от нас требуется сделать максимально эффективное и безопасное сиденье в этих границах».
Использованы материалы:
www.janes com
www.sjhprojects.com
www.jankel.com
www.autoflug.net
www.creationteam.co.uk
www.usscgroup.com
Информация