Что такое композитная броня

Доспехи бога: технологии для перспективных средств индивидуальной бронезащиты

Материалы

С момента своего появления средства индивидуальной бронезащиты проделали огромный путь от стальных кирас и пластин до современных бронежилетов из арамидной ткани со вставками из сверхвысокомолекулярного полиэтилена высокой плотности (СВМПЭ) и карбида бора.

Совершенствование СИБ идёт в направлениях поиска новых материалов, создания композитных и металлокерамических бронеэлементов, оптимизации формы и структуры элементов СИБ, в том числе на микро- и наноуровне, что позволит эффективно рассеивать энергию пуль и осколков. Прорабатываются и более экзотические решения, такие как «жидкая броня» на основе неньютоновских жидкостей.

Наиболее очевидным путём является совершенствование традиционных конструкций бронежилетов за счёт их усиления вставками из перспективных композитных и керамических материалов. В настоящий момент большая часть СИБ укомплектована вставками из термоупрочнённой стали, титана или карбида кремния, но постепенно идёт замена на бронеэлементы из карбида бора, обладающие меньшей массой и существенно большей стойкостью.

Структура

Другим направлением совершенствования СИБ является поиск оптимальной структуры размещения бронеэлементов, которые с одной стороны должны прикрывать максимальную площадь поверхности тела бойца, а с другой стороны не сковывать его движения. В качестве примера, пусть не совсем удачной, но интересной разработки, можно привести бронежилет «Шкура дракона» (Dragon Skin), разработанный и производимый американской фирмой Pinnacle Armor. В бронежилете «Шкура дракона» реализовано чешуйчатое расположение бронеэлементов.

Недостатком бронежилетов «чешуйчатой» схемы расположения бронеэлементов является практически полное отсутствие защиты бойца от запреградной травмы, что приводит к тяжким ранениям или смерти военнослужащих даже без пробития СИБ, вследствие чего бронежилеты данного типа не прошли испытания армии США. Тем не менее они используются некоторыми спецподразделениями и специальными службами США.

Несмотря на недостатки СИБ «Шкура дракона», чешуйчатое расположение бронеэлементов может быть применено в комбинации с другими типами бронезащиты и амортизирующих элементов для уменьшения запреградного воздействия пуль и осколков.

Учёные из американского Университета Райса разработали необычную структуру, которая позволяет объекту более эффективно поглощать кинетическую энергию, чем монолитный объект из того же сырья. Основой для научной работы стало изучение свойств сплетений углеродных нанотрубок, обладающих сверхвысокой плотностью за счёт особого расположения нитей, с полостями на атомном уровне, что позволяет им с высокой эффективностью поглощать энергию при столкновении с другими объектами. Поскольку полностью воспроизвести такую структуру на наноуровне в промышленных масштабах пока не представляется возможным, было принято решение повторить такую структуру в макроразмерах. Исследователи использовали полимерные нити, которые можно распечатать на 3D-принтере, но расположили их по той-же системе, что и нанотрубки, и в итоге получили кубики с высокой прочностью и сжимаемостью.

Чтобы проверить эффективность структуры, учёные создали второй объект из того же материала, но монолитный, и в каждый из них запустили по пуле. В первом случае пуля остановилась уже на втором слое, а во втором прошла гораздо глубже и нанесла урон всему кубу – он остался целым, но покрылся трещинами. Пластиковый куб с особой структурой также поставили под пресс, чтобы протестировать его прочность под давлением. Во время эксперимента объект сжался как минимум в два раза, но его целостность не нарушилась.

Деформация куба из полимерных нитей

Пенометалл

Говоря о материалах, свойства которых во многом определяются структурой, нельзя не упомянуть о разработках в области пенометалла – металлической или композитной металлической пены. Пенометалл может быть создан на основе алюминия, стали, титана, других металлов или их сплавов.

Специалисты Университета Северной Каролины (США) разработали стальной пенометалл со стальной же матрицей, заключив его между верхним керамическим слоем и тонким нижним слоем алюминия. Пенометалл толщиной менее 2,5 см останавливает бронебойные пули калибра 7,62 мм, после которых на задней поверхности остается лунка менее 8 мм.

Попадание пули в блок из пенометалла (в подписи к ролику написано про пулю калибра 12,7 мм, но в ряде других источников указано 7,62 мм)

Кроме всего прочего, пенометаллическая пластина эффективно снижает воздействие рентгеновского, гамма- и нейтронного излучения, а также защищает от огня и тепла вдвое лучше обычного металла.

Другой материал с полой структурой – сверхлёгкая форма пенометалла, создан компанией HRL Laboratories совместно с Boeing. Новый материал в сто раз легче пенопласта – он на 99,99% состоит из воздуха, но обладает крайне высокой жёсткостью. По утверждению разработчиков, если этим материалом покрыть яйцо, и оно упадёт с высоты 25-ти этажей, то не разобьётся. Полученный пенометалл настолько лёгок, что может лежать на одуванчике.

В прототипе используются полые никелевые трубки, соединённые между собой, структура расположения которых похожа на структуру человеческих костей, что позволяет материалу поглощать много энергии. Толщина стенки каждой трубки составляет порядка 100 нанометров. Вместо никеля в перспективе могут применяться другие металлы и сплавы.

Презентация пенометалла компаний HRL Laboratories и Boeing

Данный материал или его аналог, как и вышеупомянутый структурированный полимерный материал, могут быть рассмотрены для применения в перспективных СИБ в качестве элементов лёгкого и прочного амортизирующего подпора, предназначенного для минимизации повреждений, наносимых организму запреградным воздействием пуль.

Нанотехнологии

В России слово «нанотехнологии» изрядно дискредитировано политиками и СМИ, поминающими его к месту и не к месту, в результате чего оно уже больше ассоциируется с коррупцией, чем с наукой. В тоже время нанотехнологии, манипуляция объектами на атомном и молекулярном уровне, создание веществ с заданной структурой, способны совершить переворот в промышленности и технологиях, равного которому не было в истории человечества. Интересующимся можно порекомендовать книгу «Машины созидания» одного из основоположников нанотехнологий Эрика Дрекслера.

Одним из самых перспективных материалов, которому прочат широкое применение в различных отраслях промышленности XXI века, является графен – двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом. Испанские специалисты разрабатывают бронежилет, в основе которого лежит графен. Разработки графеновой брони стартовали в начале двухтысячных годов. Результаты исследований признаны многообещающими, в сентябре 2018 года разработчики перешли к практическим испытаниям. Проект финансируется Европейским оборонным агентством и продолжаются в настоящее время, в работе участвуют специалисты британской компании Cambridge Nanomaterials Technology.

Аналогичные работы ведутся в США, в частности Университетом Райса и Университетом Нью-Йорка, где проводились эксперименты по обстрелу листов графена твёрдыми предметами. Бронеэлементы из графена предположительно будут значительно прочнее кевларовых и будут комбинироваться с керамической бронёй для получения наилучшего результата. Наибольшую сложность представляет производство графена в промышленных количествах. Однако, учитывая потенциал этого материала в разных отраслях промышленности, можно не сомневаться, что решение будет найдено. По инсайдерской информации, появившейся на страницах профильных СМИ в декабре 2019 года, компания Huawei планирует в начале 2020 года выпустить на рынок смартфон P40 с графеновым аккумулятором (с графеновыми электродами), что может говорить о существенных подвижках в области промышленного производства графена.

В конце 2007 года израильские ученые создали самовосстанавливающийся материал на основе наночастиц дисульфида вольфрама (соль металла вольфрама и сероводородной кислоты). Наночастицы дисульфида вольфрама представляют собой слоистое фуллерено-подобное или нанотубулярное образование. Нанотубулены обладают рекордными механическими характеристиками, принципиально недостижимыми для других материалов, удивительной гибкостью и прочностью, находящейся на грани прочности ковалентных химических связей.

Возможно, что в перспективе бронежилеты с наполнением из данного материала могут превзойти по характеристикам все другие существующие и перспективные образцы СИБ. В настоящий момент разработки СИБ на основе нанотрубок дисульфида вольфрама находятся в стадии лабораторных исследований из-за дороговизны синтеза исходного материала. Тем не менее, некая международная компания уже производит наночастицы дисульфидов вольфрама и молибдена в количестве многих килограммов в год по запатентованной технологии.

Крупная британская оборонная компания Bae Systems разрабатывает геленаполненный бронежилет. В геленаполненном бронежилете предполагается пропитать арамидное волокно неньютоновской жидкостью, обладающей свойством мгновенно твердеть при ударных воздействиях. Считается что «жидкая броня» является одним из наиболее перспективных направлений разработки перспективных СИБ. Такие работы ведутся и в России применительно к перспективному комплекту экипировки бойцов «Ратник-3».

Простейшую неньютоновскую жидкость может сделать практически любой – достаточно смешать крахмал с водой, с бронежилетами всё, конечно, сложнее.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что перспективные СИБ планируется создавать с использованием новейших технологий, находящихся на острие технического прогресса. Если же говорить о стрелковом оружии, то здесь такого буйства технологий не наблюдается. Что является причиной этого, отсутствие потребности или консерватизм оружейной сферы?

Источник

Стеклотекстолит в броне: дёшево и сердито

С принятием на вооружение основного боевого танка Т-64 Советский Союз официально стал первой в мире страной, пустившей в серийное производство комбинированную танковую броню. Накапливая опыт и совершенствуя технологии, советские учёные опробовали на практике массу различных схем броневых наполнителей башен: от алюминиевых вставок до корундовых шаров и песчаных стержней. Однако наполнитель лобовой части корпуса долгие десятилетия оставался бессменным, с небольшими изменениями «перекочевав» на другие танки. Это был броневой стеклотекстолит — материал, свойства которого отлично характеризуются словами «дёшево и сердито». Рассмотрим подробнее, что же он из себя представлял.

Потребность в комбинированной броне

Противостояние снаряда и танковой брони можно сравнить с борьбой добра со злом, но не в аспекте «плохой» и «хороший», а в бесконечности этого противоборства. Улучшаются характеристики брони — улучшаются и характеристики снарядов, и наоборот. Эта круговерть продолжается и по сей день, и ожесточённость борьбы только нарастает.

Первым в мире серийным танком с комбинированной бронёй, включавшей в себя неметаллические элементы, стал советский танк Т-64. На момент создания броня этого танка обеспечивала защиту от большинства противотанковых средств, имевшихся в распоряжении Запада. Причины появления такой машины весьма просты и прозаичны.

К середине 1950-х годов советская армия имела на вооружении два передовых танка: Т-54/55 и Т-10. Из этих двух танков Т-54/55 являлся основным, поскольку ещё при Сталине, а потом и при Хрущёве концепция среднего танка ставилась во главу угла. Имея статус основного, танк должен был эффективно работать на поле боя в условиях противодействия широкого спектра противотанковых средств противника, но Т-54/55 этим критериям уже не соответствовал. Считавшееся великолепным во второй половине 1940-х — начале 1950-х годов, бронирование Т-54/55 постепенно, с развитием кумулятивных средств поражения и роста пробивной способности кинетических снарядов, утратило свои позиции. В перспективе весомую угрозу для танка представляли даже 90-мм американские орудия «Паттонов» — не говоря о том, что сделали британцы.

В 1959 году Великобритания официально приняла на вооружение новую 105-мм нарезную высокоимпульсную пушку L7, которая быстро разошлась по разным странам. Её подкалиберные снаряды с отделяющимся поддоном L28 и L52 поражали лобовую броню Т-54/55 с дистанции более километра. Не отставали и бронебойно-фугасные снаряды, для которых 100-мм лоб корпуса советского танка являлся удобной мишенью. Позднее, по мере распространения пушки в других странах, для неё появились кумулятивные снаряды, пробивавшие броню толщиной более трёх собственных калибров. Чтобы противостоять этим угрозам, типовой Т-54/55 должен был «потолстеть» в броне примерно в полтора-два раза, выйдя из весовой категории среднего танка.

Для защиты как от существующих, так и от ряда перспективных угроз в калибре до 105-мм требовался новый танк с комбинированной бронёй, которая сочетала бы в себе металлические и неметаллические компоненты, способные при приемлемом уровне массы дать требуемую защищённость. Первым серийным танком такого типа не только в СССР, но и во всём мире стал Т-64.

В лобовом бронировании его башни в зависимости от серии, помимо литого стального массива, присутствовали ниши со вставками из алюминия, стали высокой твёрдости, а позднее и с корундовыми керамическими шарами. Единственным элементом, который долгие десятилетия оставался бессменным, был броневой стеклотекстолит, установленный в верхней лобовой детали корпуса.

Что такое стеклотекстолит и его конструктивное оформление

Со стеклотекстолитом хоть раз в жизни сталкивался практически каждый. Этот материал используется во многих отраслях промышленности: машиностроительной, электротехнической, авиационной и даже космической. Из него изготовляют платы для электроники, используют в качестве изоляционного материала и т.д. Стеклотекстолит представляет собой слои ткани, состоящей из стекловолокон различной структуры и состава. Эти слои скрепляются между собой полимерными веществами. В бронировании танков используется довольно твёрдый стеклотекстолит плотностью 1,8-2 г/см³, изготовленный из стеклоткани со связующим компонентом ПВБ (поливинилбутираль) или БФ-2.

Сам по себе, что называется, «голый» стеклотекстолит мало подходит для серьёзной противоснарядной защиты. Чтобы раскрыть его потенциал, слой текстолита должен быть «обрамлён» двумя стальными бронелистами: лицевым и тыльным — подпирающим. Как правило, текстолитовый слой выполняется из нескольких листов, установленных друг за другом без промежутков. Это положительно сказывается как на живучести брони в случае её непробития, так и на защитных функциях самого текстолита.

В результате, рассматривая верхнюю лобовую деталь Т-64, мы имеем следующий «слоёный пирог»: лицевой (верхний) стальной бронелист средней твёрдости толщиной 80 мм + слой стеклотекстолита из нескольких листов общей толщиной 105 мм + подпорный тыльный стальной бронелист средней твёрдости толщиной 20 мм. Вся эта бронедеталь толщиной 205 мм установлена под углом 68° от вертикали. С учётом угла наклона приведённая (горизонтальная) её толщина составляет 547 мм. Данная комбинированная броня обеспечивала защиту от подкалиберных (неоперённых с отделяющимся поддоном) и кумулятивных снарядов калибра 100-мм и «натовских» 105-мм. Эквивалент защиты от кумулятивных снарядов составлял 370–377 мм, от подкалиберных — 330–333 мм.

Далее посмотрим, как стеклотекстолит взаимодействует с подкалиберными и кумулятивными снарядами в составе типовой броневой преграды в виде лба корпуса Т-64.

Кумулятивная струя и стеклотекстолит

Чтобы понять, как броневая преграда, имеющая в составе стеклотекстолит, воздействует на кумулятивную струю, нужно обозначить три основных факта.

Второй: кумулятивная струя не имеет значительной прочности и твёрдости. Её целостность может нарушить практически любой высокоскоростной объект, пересекающий её ось. Можно привести очень упрощённый пример со струёй воды, которую можно разделить на две части, подставив на секунду ладонь в поток. Из-за отсутствия указанных выше параметров струя «расходуется» в ходе пробития брони: головная её часть, пробивая броню, «намазывается» на края пробоины, тем самым уменьшая общую свою длину.

Третий: кумулятивная струя, внедряясь в броню, не движется строго в одном направлении. Её движение в целом можно охарактеризовать как зигзагообразное. При этом её элементы входят в контакт с боковыми стенками пробоины, тем самым ещё больше разрываясь.

При пробитии типовой комбинированной преграды, которой в нашем случае является верхняя лобовая деталь Т-64 со стеклотекстолитом, происходят следующие процессы. Внедряясь в лицевой стальной бронелист, кумулятивная струя начинает расходоваться по типичному для стального массива сценарию с умеренным для начального этапа проникания касанием боковых стенок пробоины. Углубляясь, кумулятивная струя всё больше подвергается разрывным воздействиям из-за разности скоростей её элементов.

Преодолев стальной массив, головные элементы кумулятивной струи встречают на своём пути стеклотекстолитовый слой. Поскольку стеклотекстолит обладает куда меньшей плотностью, нежели броневая сталь средней твёрдости, несколько изменяется и характер проникания в него кумулятивной струи. Расход её головной части уменьшается, растёт удлинение струи и, как следствие, растёт и амплитуда её зигзагообразного движения, усиливается разделение на фрагменты и плотность контакта с краями пробоины. В результате кумулятивная струя, попав в среду с меньшей плотностью, начинает интенсивнее разрываться на фрагменты. Дополнительным струегасящим фактором выступают обломки стеклотекстолита в канале пробоины, пересекающие линию кумулятивной струи и оказывающие дополнительный разрывной эффект.

В конце пути обрывки струи встречает тыльный подпорный бронелист, выступающий в роли улавливающего экрана, пробить который они не способны.

По сути, стеклотекстолит в данном типе броневых преград является более эффективной заменой пустому пространству, как в разнесённой броне. Добавив слой текстолита между двумя бронелистами, учёные сделали броню более толстой, но с меньшей массой, чем у сплошного стального массива. При этом её противокумулятивная стойкость обеспечивается естественным разрывом струи на фрагменты при преодолении большого расстояния в броне и воздействующими на неё негативными факторами текстолита, описанными выше.

Подкалиберные снаряды и стеклотекстолит

Являясь универсальным защитным материалом, стеклотекстолит, помимо эффективности против кумулятивных снарядов, обладает некоторой стойкостью к подкалиберным снарядам в составе броневых преград, аналогичных лобовой броне корпуса Т-64.

Стеклотекстолит, если рассматривать его в аспекте защитного элемента против высокоскоростных ударников типа подкалиберных снарядов, очень интересен. При обстреле снарядами со скоростью около 1000 м/с под прямым углом его стойкость примерно равна стойкости броневой стали средней твёрдости, и она продолжает расти с увеличением скорости соударения со снарядом. Однако расположение текстолита под углом 60° и более, как того требует схема броневой защиты танка, напрочь нивелирует все его достоинства: при обстреле под углом глубина пробоины в стеклотекстолите на 15–65% больше, чем под прямым. Но не всё так плохо.

Одним из требований к броне Т-64 было обеспечение защиты от подкалиберных неоперённых снарядов с отделяющимся поддоном 105-мм британской пушки L7. Её снаряды, изготовленные из твёрдых и тяжёлых вольфрамовых сплавов, не обладали должной стабильностью при пробитии наклонных броневых преград из-за небольшой длины сердечника и его физических свойств — как и снаряды советских 100-мм орудий. Против них текстолит работал.

Внедряясь в лицевой стальной наклонный бронелист, твёрдосплавный сердечник снаряда испытывал сильнейшее изгибное воздействие — денормализацию, которая изменяла его траекторию в стальном массиве в сторону параллели с броневым листом. Поскольку скорость распространения трещин в твёрдых вольфрамовых сплавах находится на уровне более 2–2,7 км/сек, что значительно выше скорости снаряда, первоначальные повреждения сердечник получал ещё до внедрения в следующий за стальным стеклотекстолитовый слой.

У стеклотекстолита, как и у других элементов бронирования, плотность которых меньше плотности стали, есть свойство — уводить атакующие ударники в сторону. Это и происходит при внедрении порядком разрушенного сердечника с изменённой от денормализации траекторией. Оказавшись в текстолитовом слое, он продолжает двигаться с отклонением в сторону параллели с бронёй, пока полностью не останавливался.

Тяжелосплавные вольфрамовые сердечники, в отличие от своих твёрдых собратьев, практически не подвержены денормализации в наклонной стальной броне. Несмотря на это, в некоторых случаях они также могут потерять первоначальную траекторию внутри текстолита и уйти в сторону, но при этом, как правило, не разрушаются, зато могут изогнуться. В основном же тяжелосплавные сердечники останавливают своё движение в текстолитовом слое благодаря его большой толщине и какой-никакой, но плотности и твёрдости.

Общим для твёрдосплавных и тяжелосплавных небольших сердечников является то, что иногда может произойти их внутренний рикошет от одного из листов текстолита.

Перспективы

Стеклотекстолитовые бронепакеты, какими они были в Т-64, условно считались актуальными на протяжении пары десятков лет, однако их практическая ценность была утрачена с появлением более мощных кумулятивных снарядов, ракет и гранат, а особенно оперённых подкалиберных снарядов. Чтобы увеличить показатели стойкости, советские учёные разработали новую схему бронирования, которая включала в себя чередование нескольких стальных и текстолитовых листов. За счёт постоянно меняющихся плотности и твёрдости слоёв по ходу движения в броне на сердечник/кумулятивную струю оказывалось более мощное воздействие, чем при предыдущем варианте бронирования. Подобную защиту получили поздние модификации танков Т-64, а также ряд других машин, включая украинский БМ «Оплот», где один из слоёв был убран для установки встроенной динамической защиты «Дуплет».

Тем не менее, как показывает практика, на сегодняшний день стеклотекстолит полностью утратил своё значение, а на первый план в защите от кумулятивных и подкалиберных снарядов выходит динамическая защита в сочетании с полуактивным наполнителем брони и вставками из твёрдых материалов.

Источник

Что такое композитная броня

Материал опубликован в журнале «Арсенал Отечества» № 1 за 2013 г.

Использование неметаллических комбинированных материалов в бронировании боевых машин ни для кого не является секретом уже много десятилетий. Подобные материалы в дополнение к основной стальной броне начали широко применять с появлением нового поколения послевоенных танков в 1960–70-х годах. Например, советский танк Т-64 имел лобовую броню корпуса с промежуточным слоем из броневого стеклотекстолита (СТБ), а в лобовых деталях башни использовался наполнитель из керамических стержней. Такое решение значительно повышало стойкость бронеобъекта к воздействию кумулятивных и бронебойных подкалиберных снарядов.

Современные танки оснащены комбинированным бронированием, призванным значительно снижать воздействие поражающих факторов новых противотанковых средств. В частности, стеклотекстолитовый и керамический наполнители используются в комбинированном бронировании отечественных танков Т-72, Т-80 и Т-90, аналогичный материал из керамики применен для защиты британского основного танка «Челленджер» (броня Chobham) и французского основного танка «Леклерк». Композитные пластики используются в качестве подбоя в обитаемых отделениях танков и бронемашин, исключая поражение экипажа вторичными осколками. В последнее время появились бронеавтомобили, корпус которых полностью состоит из композитов на основе стеклопластика и керамики.

Отечественный опыт

Основной причиной использования в бронировании неметаллических материалов является их относительно малая масса при повышенном уровне прочности, а также стойкость к коррозии. Так, керамика сочетает свойства малой плотности и высокой прочности, но при этом она достаточно хрупкая. А вот полимеры обладают как высокой прочностью, так и вязкостью, удобны для формообразования, недоступного для броневой стали. Особенно стоит отметить стеклопластики, на основе которых специалисты разных стран давно пытаются создать альтернативу металлической броне. Такие работы начались после Второй мировой войны в конце 1940-х годов. Тогда всерьёз рассматривалась возможность создания лёгких танков с пластиковой бронёй, так как она при меньшей массе теоретически давала возможность значительно увеличить баллистическую защиту и повысить противокумулятивную стойкость.

Стеклопластиковый корпус для такнка ПТ-76

В СССР опытные разработки противопульной и противоснарядной брони из пластических масс начались в 1957 году. Научно-исследовательские и опытно конструкторские работы велись большой группой организаций: ВНИИ-100, НИИ пластмасс, НИИ стекловолокна, НИИ-571, МФТИ. К 1960 году в филиале ВНИИ-100 была разработана конструкция бронекорпуса лёгкого танка ПТ-76 с использованием стеклопластика. По предварительным расчётам, предполагалось снизить массу корпуса бронеобъекта на 30% и даже больше, при сохранении снарядостойкости на уровне стальной брони такой же массы. При этом большая часть экономии массы достигалась за счёт силовых конструкционных деталей корпуса, то есть днища, крыши, рёбер жёсткости и т.п. Изготовленный макет корпуса, детали которого производились на заводе «Карболит» в Орехово-Зуево, прошёл испытания обстрелом, а также ходовые испытания путём буксировки.

Хотя предполагавшаяся снарядостойкость и подтвердилась, по другим параметрам новый материал преимуществ не давал — ожидаемого значительного снижения радиолокационной и тепловой заметности не произошло. Кроме того, по технологической сложности производства, возможности ремонта в полевых условиях, техническим рискам стеклопластиковая броня уступала материалам из алюминиевых сплавов, которые для легких бронированных машин посчитали более предпочтительными. Разработку бронеконструкций, полностью состоящих из стеклопластика, вскоре свернули, так как полным ходом началось создание комбинированной брони для нового среднего танка (впоследствии принятого на вооружение Т-64). Тем не менее, стеклопластик стали активно использовать в гражданском автомобилестроении для создания колёсных вездеходов повышенной проходимости марки ЗиЛ.

Так что в целом исследования в этой области продвигались успешно, ведь композитные материалы имели немало уникальных свойств. Одним из важных результатов этих работ стало появление комбинированной брони с керамическим лицевым слоем и подложкой из армированного пластика. Выяснилось, что такая защита обладает высокой стойкостью к воздействию бронебойных пуль, в то время как её масса в 2-3 раза меньше стальной брони аналогичной прочности. Такую комбинированную бронезащиту уже в 1960-х годах начали применять на боевых вертолётах для защиты экипажа и наиболее уязвимых агрегатов. Позднее аналогичную комбинированную защиту стали использовать в производстве бронированных кресел пилотов армейских вертолётов.

Результаты, достигнутые в Российской Федерации в области разработок неметаллических броневых материалов, показаны в материалах, опубликованных специалистами ОАО «НИИ Стали», крупнейшим в России разработчиком и производителем комплексных систем защиты, среди них — Валерий Григорян (президент, директор по науке ОАО «НИИ Стали», доктор технических наук, профессор, академик РАРАН), Иван Беспалов (начальник отдела, кандидат технических наук), Алексей Карпов (ведущий научный сотрудник ОАО «НИИ Стали», кандидат технических наук).

Испытания керамической бронепанели для усиления защиты БМД-4М

Специалисты «НИИ Стали» пишут, что за последние годы в организации были разработаны защитные структуры 6а класса с поверхностной плотностью 36–38 килограммов на квадратный метр на основе карбида бора производства ВНИИЭФа (Саров) на подложке из высокомолекулярного полиэтилена. ОНПП «Технология» при участии ОАО «НИИ стали» удалось создать защитные структуры 6а класса с поверхностной плотностью 39–40 килограммов на квадратный метр на основе карбида кремния (тоже на подложке из сверхвысокомолекулярного полиэтилена — СВМПЭ).

Эти структуры имеют неоспоримое преимущество по массе по сравнению с бронеструктурами на основе корунда (46–50 килограммов на квадратный метр) и стальными бронеэлементами, но обладают двумя недостатками: низкой живучестью и высокой стоимостью.

Можно добиться увеличения живучести органокерамических бронеэлементов до одного выстрела на один квадратный дециметр за счет выполнения их наборными из небольших плиток. Пока в бронепанель с подложкой из СВМПЭ площадью пять-семь квадратных дециметров можно гарантировать один-два выстрела, но не более. Не случайно зарубежные стандарты пулестойкости предполагают проведение испытаний бронебойной винтовочной пулей только одним выстрелом в защитную структуру. Достижение живучести до трех выстрелов в квадратный дециметр остается одной из главных задач, которую стремятся решить ведущие российские разработчики.

Высокую живучесть можно получить путем применения дискретного керамического слоя, то есть слоя, состоящего из небольших цилиндриков. Такие бронепанели изготавливает, например, фирма TenCate Advanced Armor и другие компании. При прочих равных условиях они примерно на десять процентов тяжелее панелей из плоской керамики.

В качестве подложки под керамику применяются прессованные панели из высокомолекулярного полиэтилена (типа Dyneema или Spectra) как наиболее легкого энергоемкого материала. Однако он изготавливается только за рубежом. Следовало бы и в России наладить собственное производство волокон, а не только заниматься прессованием панелей из импортного сырья. Возможно применение и композитных материалов на основе отечественных арамидных тканей, но масса и стоимость их в значительной степени превышают аналогичные показатели полиэтиленовых панелей.

Дальнейшее улучшение характеристик композитной брони на основе керамических бронеэлементов применительно к объектам БТВТ проводится по следующим основным направлениям.

Повышение качества бронекерамики. Последние два-три года НИИ Стали тесно сотрудничает с производителями бронекерамики в России — ОАО «НЭВЗ-Союз», ЗАО «Алокс», ООО «Вириал» в плане отработки и улучшения качества бронекерамики. Совместными усилиями удалось значительно улучшить ее качество и практически довести до уровня западных образцов.

Отработка рациональных конструктивных решений. Набор керамических плиток обладает особыми зонами вблизи их стыков, которые имеют пониженные баллистические характеристики. С целью выравнивания свойств панели разработана конструкция «профилированной» бронеплитки. Данные панели установлены на автомобиль «Каратель» и успешно прошли предварительные испытания. Кроме того, отработаны структуры на основе корунда с подложкой из СВМПЭ и арамидов с весом 45 килограмм-сил на квадратный метр для панели 6а класса. Однако применение таких панелей в объектах AT и БТВТ ограничено в связи с наличием дополнительных требований (например, стойкость при боковом подрыве взрывного устройства).

Испытанная обстрелом кабина, защищенная комбинированной броней с керамическими плитками

Для бронетехники типа БМП и БТР характерно повышенное огневое воздействие, так что предельная плотность поражений, которую может обеспечить керамическая панель, собранная по принципу «сплошного бронирования», может быть недостаточной. Решение данной проблемы возможно только при использовании дискретных керамических сборок из шестигранных либо цилиндрических элементов, соразмерных средству поражения. Дискретная компоновка обеспечивает максимальную живучесть композитной бронепанели, предельная плотность поражения которой приближается к аналогичному параметру металлических бронеконструкций.

Однако весовые характеристики дискретных керамических бронекомпозиций с основой в виде алюминиевого или стального броневого листа на пять-десять процентов превышают аналогичные параметры керамических панелей сплошной компоновки. Преимуществом панелей из дискретной керамики является также отсутствие необходимости ее приклейки к подложке. Данные бронепанели установлены и испытаны на опытных образцах БРДМ-3 и БМД-4. В настоящее время такие панели применяются в рамках ОКР «Тайфун», «Бумеранг».

Зарубежный опыт

В 1965 году специалисты американской компании DuPont создали материал, получивший название «Кевлар». Он представлял собой арамидное синтетическое волокно, которое, по утверждению разработчиков, в пять раз прочнее стали при той же массе, но при этом обладающее гибкостью обычного волокна. «Кевлар» стал широко применяться как броневой материал в авиации и при создании средств индивидуальной защиты (бронежилеты, каски и т.п.). Помимо этого, «Кевлар» стали внедрять в систему защиты танков и других боевых бронированных машин в качестве подбоя для защиты от вторичного поражения экипажа осколками брони. Позднее аналогичный материал был создан и в СССР, правда, в бронетехнике он не применялся.

Американская опытная ББМ CAV с корпусом из стеклопластика

В 1998 году был продемонстрирован опытный образец гусеничной машины CAV массой 19,6 т. Корпус был изготовлен из двух слоёв композиционных материалов: наружный из керамики на основе оксида алюминия, внутренний — из стеклопластика, армированного высокопрочным стекловолокном. В дополнение внутренняя поверхность корпуса имела противоосколочный подбой. Стеклопластиковое днище в целях повышения защиты от взрыва мин имело структуру с сотовым основанием. Ходовая часть машины закрывалась бортовыми экранами из двухслойного композита. Для размещения экипажа в носовой части предусматривалось изолированное боевое отделение, выполненное сварным способом из титановых листов и имеющее дополнительное бронирование из керамики (лоб) и стеклопластика (крыша) и противоосколочный подбой. Машина оснащалась дизельным двигателем мощностью 550 л.с. и гидромеханической трансмиссией, ее скорость достигала 64 км/ч, запас хода составлял 480 км. В качестве основного вооружения на корпусе была установлена поднимающаяся платформа кругового вращения с 25-мм автоматической пушкой М242 Bushmaster.

Испытания опытного образца CAV включали исследования возможностей корпуса противостоять ударным нагрузкам (планировалось даже установить 105-мм танковую пушку и провести серию стрельб) и ходовые испытания с общим пробегом в несколько тысяч км. Всего до 2002 года программой предусматривалось израсходовать до 12 млн. долларов. Но работы так и не вышли из опытной стадии, хотя и наглядно продемонстрировали возможность применения композитов взамен классического бронирования. Поэтому разработки в этом направлении были продолжены в области совершенствования технологий создания сверхпрочных пластиков.

Германия также не осталась в стороне от общей тенденции и с конца 1980-х гг. вела активные исследования в области неметаллических бронематериалов. В 1994 году в этой стране была принята на снабжение противопульная и противоснарядная композитная броня Mexas, разработанная компанией IBD Deisenroth Engineering на основе керамики. Она имеет модульную конструкцию и используется в качестве дополнительной навесной защиты для боевых бронированных машин, монтируется поверх основной брони. По заявлениям представителей фирмы, композитная броня Mexas эффективно защищает от бронебойных боеприпасов калибром до 14,5 мм. Впоследствии броневые модули Mexas стали широко использоваться для повышения защищенности основных танков и других боевых машин разных стран, в том числе танка «Леопард-2», боевых машин пехоты ASCOD и CV9035, бронетранспортёров Stryker, Piranha-IV, бронеавтомобилей «Динго» и «Феннек», а также самоходной артиллерийской установки PzH 2000.

Британская опытная ББМ ACAVP с корпусом из стеклопластика

В 2001 году испытания ACAVP успешно завершились и, по словам разработчика, продемонстрировали впечатляющие показатели защищённости и подвижности (в прессе было амбициозно заявлено, что англичане якобы «впервые в мире» создали композитную бронированную машину). Композитный корпус обеспечивает гарантированную защиту от бронебойных пуль калибра до 14,5 мм в боковую проекцию и от 30-мм снарядов в лобовую, а сам материал исключает вторичное поражение экипажа осколками при пробитии брони. Предусмотрено также дополнительное модульное бронирование для усиления защиты, которое крепится поверх основной брони и при транспортировке машины по воздуху может быстро демонтироваться. В общей сложности на испытаниях машина прошла 1800 км и при этом не было зафиксировано никаких серьёзных поломок, а корпус успешно выдержал все ударные и динамические нагрузки. Кроме того, сообщалось, что масса машины 24 тонны — это не окончательный итог, этот показатель можно снизить, установив более компактный силовой блок и гидропневматическую подвеску, а применение облегчённых гусеничных траков из резины может серьёзно снизить уровень шума.

Несмотря на положительные результаты, прототип ACAVP оказался невостребованным, хотя руководство DERA и планировало продолжить исследования до 2005 года, а впоследствии создать перспективную БРМ с композитной бронёй и экипажем из двух человек. В конечном счёте программа была свёрнута, а дальнейшее проектирование перспективной разведывательной машины уже велось по проекту TRACER с использованием проверенных алюминиевых сплавов и стали.

Легкие бронемашины из пластика

Учитывая накопленный опыт, зарубежными специалистами был сделан вывод, что разработка перспективных танков и бронетранспортёров, полностью оснащённых бронёй из пластика, всё же является довольно спорным и рискованным делом. Но новые материалы оказались востребованными при разработке более лёгкой колёсной техники на базе серийных автомобилей. Так, с декабря 2008 г. по май 2009 г. в США на полигоне в Неваде был испытан легкий бронеавтомобиль с корпусом, полностью состоящим из композиционных материалов. Машина, получившая обозначение ACMV (All Composite Military Vehicle), разработанная компанией TPI Composites, успешно прошла ресурсные и ходовые испытания, проехав в общей сложности 8 тысяч километров по асфальтовым и грунтовым дорогам, а также по пересечённой местности. Были запланированы испытания обстрелом и подрывом. Базой опытного бронеавтомобиля послужил известный HMMWV — «Хаммер». При создании всех конструкций его корпуса (в т.ч. балки рамы) использовались только композиционные материалы. За счёт этого компании TPI Composites удалось значительно снизить массу ACMV и, соответственно, увеличить его грузоподъёмность. В дополнение планируется на порядок продлить срок службы машины ввиду ожидаемой большей долговечности композитов по сравнению с металлом.

Американский опытный бронеавтомобиль ACMV с корпусом из стеклопластика

Британская бронированая машина CfvCat с дополнительными противокомулятивными экранами

Стоит отметить, что ранее компания NP Aerospace уже демонстрировала броню типа САМАС на лёгком бронеавтомобиле Landrover Snatch в составе бронекомплекта Cav100. Теперь же подобные комплекты Cav200 и Cav300 предлагаются для средних и тяжёлых колёсных машин. Изначально новый бронематериал создавался как альтернативная металлической композитная пуленепробиваемая броня с высоким классом защиты и общей прочностью конструкции при сравнительно низком весе. В его основу был положен прессованный многослойный композит, позволяющий формировать прочную поверхность и создавать корпус с минимумом стыков. По утверждению производителя, бронематериал CAMAC обеспечивает создание модульной конструкции типа «монокок» с оптимальной баллистической защитой и способностью противостоять сильным структурным нагрузкам.

Но компания NP Aerospace пошла дальше и в настоящее время предлагает оснащать лёгкие боевые машины новой динамической и баллистической композитной защитой собственного производства, расширив свой вариант комплекса защиты путём создания навесных элементов EFPA и ACBA. Первый представляет собой начинённые взрывчатым веществом пластиковые блоки, устанавливаемые поверх основной брони, а второй — литые блоки композитной брони, также дополнительно устанавливаемые на корпус.

Таким образом, легкие колёсные боевые бронированные машины с композитной бронезащитой, разрабатываемые для армии, уже не выглядели чем-то из ряда вон выходящим. Символической вехой стала победа промышленной группы Force Protection Europe Ltd в сентябре 2010 года в тендере на поставку в вооружённые силы Великобритании лёгкой бронированной патрульной машины LPPV (Light Protected Patrol Vehicle), получившей название Ocelot. Британское министерство обороны приняло решение заменить устаревшие армейские автомобили Land Rover Snatch как не оправдавшие себя в современных боевых условиях на территории Афганистана и Ирака, на перспективную машину с бронированием из неметаллических материалов. В качестве партнёров Force Protection Europe, имеющей большой опыт в производстве высокозащищенных автомобилей типа MRAP, была выбрана автостроительная компания Ricardo plc и «КинетиК», занимающаяся бронированием.

Разработка Ocelot велась с конца 2008 года. Проектировщики бронеавтомобиля решили создать принципиально новую машину на основе оригинального конструкторского решения в виде универсальной модульной платформы, в отличие от других образцов, которые базируются на серийных коммерческих шасси. Помимо V-образной формы днища корпуса, повышающей защиту от мин за счёт рассеивания энергии взрыва, была разработана специальная подвесная бронированная коробчатая рама под названием «скейтборд», внутри которой были размещены карданный вал, коробка передач и дифференциалы. Новое техническое решение позволило перераспределить вес машины таким образом, чтобы центр тяжести находился максимально близко к земле. Подвеска колёс — торсионная с большим вертикальным ходом, приводы на все четыре колеса — раздельные, узлы передней и задней осей, а также колёса — взаимозаменяемые. Навесная кабина, в которой располагается экипаж, крепится к «скейтборду» шарнирно, что позволяет откидывать кабину в сторону для доступа к трансмиссии. Внутри находятся сиденья для двух членов экипажа и четырёх человек десанта. Последние сидят лицом друг к другу, их места отгорожены перегородками-пилонами, дополнительно усиливающими конструкцию корпуса. Для доступа внутрь кабины имеются двери с левой стороны и в задней части, а также два люка в крыше. Предусмотрено дополнительное пространство для монтажа различного оборудования, в зависимости от целевого назначения машины. Для электропитания приборов установлена вспомогательная дизельная силовая установка Steyr.

Первые поставки бронеавтомобилей Ocelot начались в конце 2011 года, а к исходу 2012 года в вооружённые силы Великобритании поступило около 200 таких машин. Компания Force Protection Europe в дополнение к базовой патрульной модели LPPV разработала также варианты с модулем вооружения WMIK (Weapon Mounted Installation Kit) с экипажем из четырёх человек и грузовой вариант с кабиной на 2 человека. В настоящее время она принимает участие в тендере министерства обороны Австралии на поставку бронированных машин.

Итак, создание новых неметаллических броневых материалов в последние годы идёт полным ходом. Возможно, не за горами то время, когда принятые на вооружение бронированные машины, не имеющие в своём корпусе ни одной металлической детали, станут обыденным делом. Особенную актуальность лёгкая, но прочная бронезащита приобретает сейчас, когда в разных уголках планеты вспыхивают вооружённые конфликты низкой интенсивности, проводятся многочисленные антитеррористические и миротворческие операции.

Британская патрульная машина Ocelot с корпусом из стеклопластика

Безусловно, технологичный и недорогой цельнопластиковый бронекорпус станет технологическим прорывом в создании перспективной бронетехники. Однако не стоит забывать, что в отличие от броневых сплавов, монококовые композитные конструкции еще не до конца изучены в плане ударных, температурных и вибрационных нагрузок. Многочисленные испытания выявили их устойчивость лишь в короткий промежуток времени, в то время как старение композитов, очевидно, будет менять их свойства, может быть даже кардинально. Проблемными вопросами также являются стоимость производства и ремонтопригодность композитных корпусов. В то же время многолетнее применение композитов в авиастроении даёт значительный опыт, который можно использовать и при создании перспективных боевых бронированных машин.

Источник