Директор ФСВТС_ Дмитрий Шугаев_цитата_ч-б

Дмитрий Шугаев: В сфере ВТС Россия действует строго в рамках закона и своих международных обязательств. В этом смысле мы комфортный и надежный партнер

Современные бронешлемы. Защитные структуры и технологии изготовления

 

Индивидуальная защитная экипировка бойца на поле боя используется уже не одну тысячу лет, и её компоненты хорошо известны историкам и археологам, изучены до малейших подробностей. Испокон веку важнейшей частью боевой защиты считается бронешлем (БШ).В этой статье рассмотрены некоторые аспекты современных материалов и конструкций БШ.

Конструкция и геометрическая форма БШ менялись со временем в соответствии с постоянным совершенствованием оружия и средств поражения, от которых надо было защитить человека. Однако материал, из которого изготавливали корпус БШ – его главную конструктивную часть, практически не менялся на протяжении многих веков. Этим материалом был гомогенный тонкий листовой металл – сначала медь и бронза, потом железо и сталь.

До начала 1980-х годов во всех армиях мира использовались только стальные БШ.

Главнейшая задача БШ, сформулированная военными ведущих мировых держав, состоит в защите головы бойца от самого массового на поле боя фактора поражения – осколков естественного дробления осколочно-фугасных снарядов, мин и гранат, а также в защите черепа от ударных нагрузок.

В середине XX века, когда были проанализированы результаты Первой и Второй мировых войн и последующих локальных конфликтов (в Корее и Вьетнаме), стало очевидно, что стальной гомогенный БШ не обеспечивает защиту головы бойца от наиболее массовой части спектра осколочного потока поражения на современном поле боя. Уровень его противоосколочной стойкости (ПОС) был весьма низок и не превышал V50% = 300–350 м/с для осколка массой 1 г (50%-я вероятность непробития корпуса БШ). Надо сказать, что сделать защиту с более высокой ПОС можно только за счёт увеличения толщины корпуса БШ, что сразу приведёт к существенному увеличению носимой на голове массы. Так, например, чтобы поднять ПОС стального БШ с V50% = 300 м/с до V50% = 600 м/с, надо почти удвоить толщину корпуса с 1,6 до 2,5 мм, что при физической плотности стали рст = 7,85 г/см3 приведёт к увеличению массы корпуса БШ с 1500 до 2350 г. Это недопустимо, т. к. существуют медико-технические ограничения по величине допустимой носимой массы БШ, которые предписывают максимальный предел для общевойскового БШ в 1600 г: медики опытно-экспериментальным путём установили, что при превышении этого ограничения человек может получить тяжёлую травму шейного участка позвоночника.

Таким образом, на рубеже 1960–1970-х годов появилась задача создания низкоплотных полимерных материалов, обладающих соизмеримым с высокопрочной сталью пределом прочности, которые смогли бы заменить стальной листовой прокат в производстве БШ, позволив значительно повысить ПОС корпуса БШ без увеличения его массы. Кроме того, полимерные материалы благодаря их физико-механическим свойствам лучше, чем гомогенная высоко­углеродистая сталь, поглощают и рассеивают ударно-волновую энергию взаимодействия средства поражения с защитной структурой преграды.

Такой материал, названный параарамидным волокном, был впервые разработан американской фирмой Dupont и имел такой же предел прочности, как у конструкционной стали, и физическую плотность рар.= 1,43 г/см3, т. е. был более чем в 5 раз легче стали. Из параарамидного волокна сделали нить линейной плотности 110 текс (масса нити в граммах на 1000 м длины), которой была присвоена торговая марка Kevlar®29, и соткали полотно удельной массой 255 г/м2. Из этой ткани была изготовлена квазигомогенная многослойная тканево-полимерная структура, которая при эквивалентной массе с гомогенной монолитной сталью показала вдвое более высокую ПОС и существенно меньший динамический прогиб композиции при взаимодействии с имитатором стандартного осколка и пистолетной пулей калибра 9 мм.

Первый в мире тканево-полимерный шлем появился в США. Его разработала Натикская научно-исследовательская лаборатория армии США в конце 1970-х годов. В начале 1980-х он был принят на вооружение сухопутных войск. Шлем получил название PASGT (Personnel Armor System, Ground Troops – система индивидуальной бронезащиты сухопутных войск). Он был выполнен из ткани на основе волокна Kevlar®29 и связующего – фенольной или PVB-смолы, имел массу 1,4–1,9 кг (3,1–4,2 фунта) и 5 типоразмеров – XS, S, M, L, XL. Уровень ПОС шлема определялся военным стандартом MIL-STD-662E, полицейским NIJ 0106 и составлял V50% = 600 м/с по стандартному осколку STANAG 2920, что примерно соответствует уровню в V50%= 570–580 м/с по стальному шарику массой 1,03 г, которым испытываются все российские шлемы. Противоударные характеристики регламентированы стандартом MIL-H44099A.

Технология изготовления таких шлемов достаточно проста. Ткань, пропитанную полимерным связующим, проще говоря смолой, укладывают в несколько слоёв в форму. Полученную заготовку прессуют при определенной температуре, связующее полимеризуется, твердеет. От прессованной оболочки обрезают облой, устанавливают подтулейное устройство – и шлем готов. Так как ткань, пропитанную смолой, называют препрегом, то и технология изготовления шлемов получила название препреговой. Основное преимущество этой технологии – простота и малая зависимость конечного результата от точности соблюдения режимов прессования. Поэтому достаточно быстро шлемы, аналогичные PASGT, начали выпускаться во многих странах. За 30 лет произведено несколько миллионов штук шлемов типа PASGT, он принят в качестве основного в НАТО и до сих пор используется Армией США. В армиях многих стран по всему миру используется или сам этот шлем, или его аналоги. Количество фирм – производителей шлемов типа PASGT перевалило за несколько сотен. Соответственно и разброс характеристик этих шлемов как по массовым, так и по защитным характеристикам достаточно велик.

Хотя в целом шлем удовлетворял требованиям военных, работы по его совершенствованию были начаты уже в конце 1990-х годов. Работы эти были инициированы началом реализации во многих странах мира программ по оснащению бойца будущего столетия. Эти программы рассматривают бойца и его экипировку как единую систему, которая, взаимодействуя с другими системами, должна максимально эффективно выполнять боевую задачу. Средства защиты, и шлем в частности, принимаются программой как элемент, который кроме выполнения защитных функций должен комплексироваться с другими элементами системы. Практически все программы «Боец будущего» рассматривают шлем как платформу для установки приборов ночного видения, связи, навигации, дисплеев для самоконтроля и информационных функций, что неминуемо приводит к увеличению массы, нагружающей голову.

Поэтому еще в 1996 году МО США выдвинуло двухгодичную программу SEP (Soldier Enhancement Program – Программа повышения боевых возможностей солдата), в рамках которой должна была быть разработана и испытана каска с более лёгкой основой. В качестве цели была поставлена задача снизить вес шлема на 25%.

Однако реализовать эти цели зарубежным разработчикам удается с большим трудом. Основная причина кроется как раз в созданной и эксплуатируемой ими технологии. Уже давно стало ясно, что баллистическая ткань наиболее эффективно работает, когда её отдельные нити имеют возможность при упругой деформации растягиваться, достигая предела текучести, что происходит при максимальных нагрузках на материал. Ткань сама по себе уже ограничивает эластичность нитей, и от типа плетения стойкость ткани может существенно меняться. Если же ткань пропитать смачивающим клеевым составом и превратить в жёсткий композит, то баллистические характеристики такого композита будут хуже, чем у эквивалентного по массе ничем не связанного тканевого пакета.

Тем не менее, применяя новые, более эффективные, чем Kevlar®29, материалы, зарубежным разработчикам удалось на 10–15% и снизить массу шлема, и поднять его ПОС. Так, применение нового усовершенствованного арамидного волокна Kevlar® KM2 и изготовление из него нитей более низкой линейной плотности (44 и 67 текс) позволило снизить вес шлема на 8–10%. Дальнейшие исследования по снижению веса привели к разработке и принятию на вооружение армии США в 2002 году новой, также арамидной каски АСН (Advanced Combat Helmet – улучшенный боевой шлем), имеющей ещё меньший вес. Правда, снижение веса каски обеспечивалось в основном уменьшением на 8% площади защиты, но разработчикам удалось увеличить на 6% её ПОС.

Усиленно работает над проблемой снижения массы шлема и разработчик первого шлема PASGT – Натикская лаборатория. Она исследует два новых материала, которые могут решить проблему снижения веса. Один из них – известный материал Zylon. С помощью этого материала фирме удалось получить шлем массой всего 800 г (1,79 фунта). Однако этот материал оказался нестойким к воздействию солнечного света, воды и потому непригодным для использования в шлемах. Сейчас фирма исследует новый материал на основе волокна М5, разработанного фирмой Magellan Systems Int. Расчёты показывают, что при том же уровне защиты применение материала М5 позволит уменьшить массу шлема на 35%. Однако пока американский солдат воюет в шлеме массой не меньше 1,3–1,5 кг, ПОС которого не превышает 680–700 м/с по STANAG-2920.

Россия значительно позже многих зарубежных стран начала думать о замене стальной каски CLU-68 на тканево-полимерную, хотя работы по созданию такой каски начались в НИИ Стали в инициативном порядке ещё в середине 1980-х годов. Разработчики института начали осваивать принципиально другую технологию – технологию термо-пластичного прессования квазигомогенных многослойных плёночных структур, или, как её часто сейчас называют,– «плёночную» технологию. Суть её проста: слои баллистической ткани прокладываются тонкой термопластичной плёнкой. Затем пакет закладывается в пресс-форму, нагревается, прессуется и охлаждается. Плёнка расплавляется и соединяет слои ткани. После охлаждения получается жёсткая гомогенная оболочка корпуса шлема. По расчётам разработчиков, плёнка, размягчаясь, не смачивает нити ткани, оставляя им практически полную свободу предельной упругой деформации, а значит, стойкость такой композиции должна быть выше, чем у эквивалентного по массе препрега. Практика показала, что расчёт был верен. Правда, чтобы прийти к желаемому результату, институту потребовалось почти 10 лет. Именно столько шла отработка промышленной высокопроизводительной технологии получения шлемов требуемого качества. Зато у разработчиков появилось широкое поле для оптимизации композиции. Варьируя набор тканей в лицевых и тыльных слоях, меняя толщину и материал плёночного связующего, можно было подобрать наиболее оптимальный вариант для заданных условий. В 1999 году первый серийный шлем, произведённый в НИИ Стали под индексом 6Б7, поступил в российские вооружённые силы. По характеристикам он сразу же превзошёл свой зарубежный аналог: масса – не более 1,3–1,35 кг, противоосколочная стойкость – 560 м/с, что соответствует 600–610 м/с по STANAG. К 2005 году НИИ Стали разработал и сдал на вооружение еще 3 модели шлемов – 6Б26, 6Б27 и 6Б28. Все они были и до сих пор являются рекордсменами по массе и стойкости. Путём оптимизации состава пакета НИИ Стали удалось создать шлем массой не более 1,1 кг с ПОС выше 700 м/с (по STANAG – 730–740 м/с), причём не в опытном экземпляре, а в серийном производстве. Это прототип конструкции общевойскового БШ второго поколения.

В жизни за всё надо платить. Естественно, столь высокие характеристики шлема были достигнуты соответствующей ценой. Так, жёсткие требования предъявляются к качеству используемой баллистической ткани: при малейшем отклонении от паспортных характеристик ткань отправляется в брак. Технология допускает использование в пакетах только цельных кусков, тогда как в препреговой технологии можно использовать пакеты, набранные из кусков баллистической ткани. Это приводит к увеличению расхода дорогостоящей ткани и, соответственно, стоимости конечного продукта. Сам процесс прессования тоже требует большего времени, чем в препреговой технологии, поскольку контролируемый нагрев заготовки и её охлаждение происходят непосредственно в прессовой оснастке. Правда, своими последними работами разработчики НИИ Стали показали, что резервы в оптимизации этой технологии есть, и немалые. Найдены решения по сокращению цикла нагрева и охлаждения заготовки. Не следует забывать ещё ряд важных моментов. Поскольку плёночная технология не использует вредных смол, она на порядок экологически чище, что проявляется как в производстве, так и при эксплуатации шлема. Да и для организации крупносерийного производства плёночная технология прогрессивнее препреговой, поскольку позволяет автоматизировать процесс сборки тканево-полимерных пакетов для прессования, тогда как в препреговой технологии эта операция выполняется вручную.

Таким образом, и зарубежная, и отечественная конструкции тканево-полимерного БШ используют в качестве защитной структуры многослойную квазигомогенную композицию на основе высокопрочной арамидной ткани и полимерного термореактивного или термопластичного связующего, которое скрепляет слои ткани по всей толщине структуры и заставляет корпус БШ работать как сплошная высокопрочная упругая оболочка – «полимерная броня».

Очень важно отметить тот факт, что сплошная гомогенная оболочка корпуса БШ позволяет оптимально использовать физико-ме­ха­нические свойства материалов структуры, то есть рассеивать ударную волну, образованную импульсом проникающего высокоскоростного средства поражения, и формируемую ей волну упругой деформации композитного материала, обеспечивая допустимые значения величины динамического прогиба оболочки. А ведь именно величина динамического прогиба оболочки корпуса БШ при непробитии защитной структуры является определяющим фактором запреградного контузионного воздействия на голову человека. Поэтому максимально допустимая величина динамического прогиба оболочки всегда определяется в ходе государственных испытаний образцов БШ с помощью рентгеноимпульсной установки в реальном масштабе времени.

Кроме технологии плёночного термопласта, используемой для создания гомогенных сплошных оболочек корпусов БШ, в России была разработана «смешанная» технология, сочетающая элементы препреговой технологии и «сухие» слоистые тканевые арамидные пакеты. При этом наружные тканевые слои защитной структуры пропитываются полимерным термореактивным связующим, а внутренние слои остаются сухими. Разработчики этой структуры (ЗАО ЦВМ «Армоком») назвали её дискретно-тканевой структурой (ДТС).

Начиная с 2000 года российские ВС заказывают тканево-полимерные БШ, изготавливаемые и по плёночной технологии, и по технологии ДТС – примерно в равных количествах. Только в 2010–2011 гг. их было произведено и поставлено в армию около 70 000 штук. Причём боевые защитные и эксплуатационные характеристики гомогенного и дискретно-тканевого БШ абсолютно одинаковы, цена обоих образцов единая. В чём же различие?

А различие БШ как раз и кроется в составе структуры полимерной защитной композиции, получаемой в результате альтернативных технологических процессов прессования оболочек корпуса. В случае использования плёночного термопласта, как уже было отмечено, получается гомогенная сплошная структура оболочки, и процесс взаимодействия средства поражения с такой преградой в общем случае соответствует классической теории прочности и упругости материалов. Корпус БШ, полученный по технологии ДТС, имеет выраженную гетерогенную структуру, в состав которой входят две внешние относительно твёрдые и тонкие оболочки, придающие жёсткость всей конструкции, и сухой слоистый пакет арамидной ткани, расположенный между оболочками. Такая структура называется разнесённой, т. к. более высокоплотные слои находятся на расстоянии друг от друга, а между ними располагается низкоплотный материал. Разнесённая схема защитной структуры имеет свои преимущества, например более эффективное поглощение и рассеивание ударной волны за счёт наличия границ раздела между разноплотными слоями материалов композиции. Но это преимущество достигается большей толщиной комбинированного корпуса БШ с ДТС – до 15 мм, в то время как толщина гомогенного плёночного корпуса в самой массивной подтулейной зоне не превышает 8 мм.

Кроме этого преимущества, больше никаких защитных выгод технология ДТС не даёт, не говоря уже об относительно низкой производительности изготовления таких конструкций, прежде всего за счёт большой доли ручного труда, применяемого при сборке тканевого пакета. Вместе с тем ДТС имеет один существенный недостаток – слишком малую толщину жёстко-упругой внутренней оболочки корпуса БШ, задача которой состоит в том, чтобы за счёт поглощения энергии упругой деформации сухого тканевого пакета сократить величину динамического прогиба полимерной композиции. Но поскольку сухой тканевый пакет не связан с тонким упругим подпором из препрега, то и вся энергия упругой деформации пакета приходится на локальную зону поражения тонкой препреговой оболочки, а не распределяется равномерно послойно по всей толщине структуры, как у гомогенного тканево-полимерного корпуса. В этом случае, если в эквивалентных условиях сравнивать значения динамического прогиба двух технологически разных БШ – гомогенного и ДТС, то оказывается, что для ДТС величина динамического прогиба больше, чем у гомогенного плёночного термопласта.

Вопрос «Какая из технологий более предпочтительна и прогрессивна?» находится в компетенции заказчика, который на этапе государственных испытаний детально определил все ТТХ обоих БШ, каждого в отдельности, и допустил в серийное производство оба образца.

Пока идёт серийное производство тканево-полимерных БШ первого поколения, можно было бы и не заострять внимание на технологических аспектах производства различных образцов, тем более что производство ведётся по действующей рабочей конструкторской документации литеры «О1», утверждённой заказчиком. Однако при создании боевой экипировки второго поколения заказчик выдвинул требование разработки единой конструкции, а значит, и защитной структуры общевойскового БШ.

Становятся злободневными «отложенные» заказчиком вопросы: «Какая структура полимерной защитной композиции отвечает современным требованиям по противоосколочной и противопульной стойкостям в максимальной степени? Какая структура обеспечивает наиболее приемлемые значения запреградного контузионного воздействия?». Совершенно очевидно, что ответы заказчику помогут получить только комплексные сравнительные испытания различных БШ, в том числе и зарубежного производства, в первую очередь медико-биологические исследования результатов динамического воздействия средств поражения на корпус БШ и голову человека. Не ответив на эти вопросы, нельзя принять выверенное и обоснованное решение в области боевой экипировки на длительную перспективу.

Дмитрий Купрюнин, Александр Егоров, Евгений Чистяков

 

Партнеры