Невзрывчатый энергетический материал и реактивный броневой элемент, изготовленный с использованием этого материала - RU2398175C2
Код документа: RU2398175C2
Описание
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к элементам для изготовления защитной реактивной брони, предназначенной для установки с наружной стороны оболочки, которая может подвергаться действию боеголовок с кумулятивными зарядами и других поражающих средств, таких как снаряды и осколки с высокой кинетической энергией, с целью повышения живучести этой оболочки и ее содержимого. Изобретение также относится к невзрывчатому энергетическому материалу, пригодному для таких элементов реактивной брони.
Примерами оболочек, которые можно защищать элементами реактивной брони, изготовленными из элементов согласно настоящему изобретению, являются наземные транспортные средства, например боевые танки, бронированные транспортные средства для перевозки личного состава, бронированные боевые машины, вертолеты, бронированные самоходные орудия, бронированные статические конструкции, например здания, надземные части бункеров, цистерны-резервуары для хранения топлива и химикатов и т.п.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Как известно, боеголовки, оснащенные кумулятивными зарядами, также известные под названием боеприпасов с зарядами с кумулятивной выемкой, пробивают броню и поэтому разрушают защищаемый объект и его содержимое изнутри. Эта способность кумулятивного заряда обусловлена тем, что после детонации он образует высокоэнергетическую струю, которую также называют «шипом» или «острием», которая развивает очень высокую скорость, равную нескольким тысячам метров в секунду, и поэтому способна пробивать даже относительно толстые слои брони.
В последние годы появилось несколько конструкций для защиты от пробивного действия взрывающегося кумулятивного заряда, в которых использована структура, содержащая, по меньшей мере, один элемент реактивной брони, причем этот элемент реактивной брони содержит ряд слоев, включающий в себя один или несколько листовых слоев и, по меньшей мере, один слой, состоящий из взрывчатого или любого другого энергетического материала («энергетический материал» - материал, выделяющий энергию во время активации/возбуждения), прочно связанного, по меньшей мере, с одним из листовых слоев. Листовые слои изготовлены, например, из металла или композитного материала.
Базовый элемент реактивной брони, в настоящем описании именуемый также реактивным броневым элементом, состоит из двух металлических плит, между которыми расположен слой энергетического материала. Такие элементы реактивной брони, соответствующие предшествующему уровню техники, основаны на эффекте поглощения массы и энергии движущимися плитами, и условием их функционирования является наличие острого угла между кумулятивной струей, создаваемой приближающимся кумулятивным зарядом, и броней.
В целом, элемент реактивной брони является многослойным телом, в котором каждый слой тесно связан со смежным слоем, причем многослойное тело включает наружную покровную плиту, по меньшей мере, один слой энергетического материала, по меньшей мере, одно промежуточное инертное тело, примыкающее к каждому из слоев энергетического материала, по меньшей мере - к одному слою. В процессе активации/возбуждения энергетического материала (например, в процессе поджига боеголовкой с кумулятивным зарядом) кумулятивная струя возбуждает броню, при этом происходит выделение большого количества энергии, так что газы, выброшенные в течение нескольких микросекунд, ускоряют металлические плиты и смещают их относительно друг друга, разрушая/рассеивая кумулятивную струю, поэтому энергия струи не может проникнуть в защищаемую оболочку.
Хотя и эффективность, и живучесть брони важны, общие эксплуатационные характеристики брони определяют посредством сравнения ее эффективности с ее живучестью. Одним из критериев брони, имеющим существенное значение, является соотношение массы элемента брони, приходящейся на единицу площади. Другим важным критерием является чувствительность энергетического материала. Хотя чувствительность может быть полезной для повышения эффективности брони, она может снижать живучесть брони, и это может создавать проблемы, поскольку необходимо соблюдать различные требования при транспортировке.
Известны четыре основные группы промежуточных материалов, используемых для изготовления брони, которые перечислены далее в порядке важности их энергетических характеристик:
А. ВЗРЫВЧАТАЯ РЕАКТИВНАЯ БРОНЯ (ERA)
Взрывчатая реактивная броня (Explosive Reactive Armor, ERA) - наиболее эффективная технология для защиты от кумулятивных зарядов, кинетических снарядов, пуль из стрелкового оружия, шрапнели и т.п. Передовые концепции ERA признаны перспективными технологиями защиты от бронебойных снарядов нового поколения. Основной проблемой, связанной с применением ERA для наземных боевых машин, является использование в качестве промежуточного слоя многослойного элемента взрывчатого материала, что снижает живучесть брони.
Б. САМООГРАНИЧИВАЮЩАЯСЯ ВЗРЫВЧАТАЯ РЕАКТИВНАЯ БРОНЯ (SLERA)
Самоограничивающаяся взрывчатая реактивная броня (Self-Limiting Explosive Reactive Armor, SLERA) обеспечивает приемлемые эксплуатационные характеристики, значительно лучшие, чем у NERA (см. ниже), но худшие, чем у ERA, со сниженным влиянием на структуры транспортного средства, по сравнению с ERA. Слой энергетического материала в SLERA потенциально может быть классифицирован как пассивный материал (спецификация НАТО). SLERA может обеспечивать хорошую защиту от множественных попаданий при модульной конфигурации. Таким образом, хотя энергетический материал, используемый в SLERA, не настолько эффективен, как полностью детонирующие взрывчатые вещества, этот тип реактивной брони может быть более практичным вариантом, чем ERA, благодаря его характеристикам живучести.
В. НЕВЗРЫВЧАТАЯ РЕАКТИВНАЯ БРОНЯ (N×RA)
Невзрывчатая реактивная броня (Non-Explosive Reactive Armor, N×RA) обеспечивает эффективность, сравнимую со SLERA, живучесть, сравнимую с NERA (см. ниже) и превосходную способность к защите от множественных попаданий боеголовок с кумулятивными зарядами. Преимущества N×RA по сравнению с другими технологиями реактивной брони состоят в том, что эта броня является абсолютно пассивной и обладает значительно большей эффективностью, чем NERA. Энергетические материалы для N×RA описаны, например, в DE 3132008 С1 и в Патенте США 4881448.
Г. НЕЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ РЕАКТИВНАЯ БРОНЯ (NERA)
Неэнергетическая реактивная броня (Non-Energetic Reactive Armor, NERA) обладает ограниченной эффективностью против кумулятивных зарядов. Преимуществом NERA является то, что она абсолютно пассивна и поэтому обеспечивает превосходную живучесть и максимальную защиту от множественных попаданий, по сравнению с N×RA.
Задачей настоящего изобретения является обеспечение невзрывчатого энергетического материала, пригодного для изготовления N×RA, которая не содержит взрывчатого материала и выполняет свою защитную функцию (высокая эффективность и высокая живучесть брони), при этом невзрывчатый энергетический материал снижает требования к транспортировке и логистике согласно различным стандартам, например предписаниям ЕС, содержащимся в Рекомендациях по транспортировке опасных грузов.
Другой задачей настоящего изобретения является обеспечение элемента брони, содержащего такой энергетический материал, при этом броня должна обладать эффективностью, сопоставимой с эффективностью SLERA, и живучестью, сравнимой с живучестью NERA.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Перечисленные выше и другие задачи решаются за счет использования невзрывчатого энергетического материала, являющегося генератором газа и содержащего окислители и горючий материал, поэтому возбуждение материала при его поджиге кумулятивной струей кумулятивного заряда приводит к выделению большого количества газа, который ускоряет/деформирует броневые листы реактивной брони. Однако при этом необходимо, чтобы газ выделялся быстро, то есть не дольше, чем в течение нескольких микросекунд (мкс), чтобы обеспечить разрушение/рассеивание кумулятивной струи и минимизировать ее проникновение в защищаемую среду.
Поэтому в одном из аспектов настоящего изобретения предусмотрен элемент реактивной брони для защиты от различных типов поражающих средств, состоящий из блока, содержащего наружную покровную плиту и, по меньшей мере, один многослойный элемент, находящийся под этой плитой; многослойный элемент содержит, по меньшей мере, одну пару относительно плоских плит, между которыми расположен энергетический материал, при этом энергетический материал является невзрывчатым материалом, содержащим окислитель и горючий материал, которые, совместно с подходящим каталитическим веществом и связующим веществом, образуют невзрывчатый энергетический материал, являющийся генератором газа.
В одном из примеров осуществления изобретения окислителем является окисляющее вещество, выбранное из нитрата, нитрита, хромата, бихромата, перхлората, хлората или их комбинаций. Предпочтительно окисляющим веществом является нитрат, наиболее предпочтительно - нитрат натрия (NaNO3).
В другом примере осуществления изобретения каталитическим веществом является оксид переходного металла, выбранный из оксидов элементов 4-го периода Периодической системы элементов, таких как оксиды железа, оксиды марганца, оксиды цинка, оксиды кобальта и др., или их комбинаций. Предпочтительно каталитическим материалом является оксид железа, наиболее предпочтительно - Fе2О3.
В следующем примере осуществления настоящего изобретения энергетический материал содержит связующее вещество, служащее горючим материалом. В одном из случаев связующим веществом является силиконовое связующее вещество. Энергетический материал может содержать полые микрошарики для увеличения скорости реакции. Предпочтительно микрошарики имеют диаметр около 40 мкм. Эти микрошарики могут быть изготовлены из материала, выбранного из группы материалов, включающей, среди прочих, стекло, пластмассу, металлические и керамические материалы.
В другом примере осуществления изобретения энергетический материал имеет форму гибкого и пластичного листового материала. Предпочтительно он является материалом, не относящимся к классу 1 (т.е. является невзрывчатым материалом), имеющим равномерную толщину и плотность.
Плиты предпочтительно изготовлены из инертного материала, например - из металла или керамики, или из композитного материала.
В другом специфическом примере осуществления изобретения элемент реактивной брони, которая может быть или не быть броней с дополнительными компонентами, содержит несколько многослойных элементов, расположенных внутри блока. Наружная плита блока представляет собой переднюю плиту, по меньшей мере, одного из многослойных элементов.
В следующем аспекте настоящее изобретение предусматривает многослойный элемент реактивной брони, содержащий, по меньшей мере, одну пару по существу плоских плит и невзрывчатый материал, расположенный между, по меньшей мере, одной парой плит, причем энергетический материал является невзрывчатым материалом, содержащим окислитель и горючий материал, которые, совместно с каталитическим материалом и связующим веществом, образуют результирующий невзрывчатый энергетический материал, представляющий собой генератор газа.
В следующем аспекте изобретение предусматривает энергетический материал для реактивной брони, характеризующийся тем, что этот материал является невзрывчатым энергетическим материалом, содержащим окислитель и горючий материал, которые, совместно с каталитическим материалом и связующим веществом, образуют результирующий невзрывчатый энергетический материал, представляющий собой генератор газа.
В следующем аспекте предусмотрен способ защиты оболочки от различного типа поражающих средств, включающий этап:
крепления снаружи оболочки элемента реактивной брони, содержащего блок, снабженный наружной покровной плитой, и, по меньшей мере, один многослойный элемент, расположенный за этой плитой; при этом многослойный элемент содержит, по меньшей мере, одну пару по существу плоских плит и невзрывчатый материал, расположенный между, по меньшей мере, одной парой плит, причем энергетический материал является невзрывчатым материалом, содержащим окислитель и горючий материал, которые, совместно с каталитическим материалом и связующим веществом, образуют результирующий невзрывчатый энергетический материал, представляющий собой генератор газа.
СВЕДЕНИЯ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ ВОЗМОЖНОСТЬ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Для целей настоящего изобретения была выбрана группа окислителей и группа горючих материалов, которые совместно с подходящим катализатором (или катализаторами) и связующим веществом (или связующими веществами) обеспечивают результирующий невзрывчатый энергетический материал, представляющий собой генератор газа.
Термин «окислитель» или его любая языковая (лингвистическая) вариация при использовании в данной работе относится к химическому веществу, обладающему способностью увеличивать содержание кислорода в соединении, или в веществе, или в их комбинациях, которые подлежат окислению. Согласно конкретному примеру осуществления изобретения невзрывчатый энергетический материал содержит окислитель, выбранный, среди прочих веществ, из нитратов, нитритов, хроматов, бихроматов, перхлоратов, хлоратов и т.п., горючий материал в виде любого типа углеродсодержащего материала и подходящее связующее вещество, которое может также служить горючим материалом. Согласно конкретному примеру осуществления невзрывчатый энергетический материал содержит в качестве окислителя нитрат натрия (NaNO3), а в качестве горючего материала - связующее вещество на основе силикона. Также можно объединять несколько типов окислителей и горючих материалов для улучшения рабочих характеристик энергетического материала в элементе реактивной брони.
Примером каталитического материала, пригодного для использования совместно с невзрывчатым энергетическим материалом согласно настоящему изобретению является оксид переходного металла, более конкретно - оксид металла 4 периода Периодической системы элементов, который обычно используется в качестве катализатора в энергетических материалах, основанных на комбинациях окислителей и горючих материалов. Такой каталитический материал может быть выбран, например, из оксидов железа, оксидов марганца, оксидов цинка, оксидов кобальта и других оксидов или из их комбинаций. Предпочтительно каталитическим материалом является оксид железа, наиболее предпочтительно - Fе2O3.
Для увеличения скорости реакции невзрывчатого энергетического материала к композиции могут быть добавлены микрошарики (то есть полые сферические элементы). Считается, что микрошарики повышают скорость реакции после поджига брони кумулятивной струей от кумулятивного заряда.
Соответственно, такую композицию можно считать невзрывчатым материалом, то есть материалом, не относящимся к классу 1 согласно определениям предписаний ЕС и Министерства транспорта (Department of transportation, DOT) США.
Невзрывчатый энергетический материал согласно настоящему изобретению может быть гибким листом пластичного материала, который можно легко разрезать, проколоть и т.п., поэтому его можно удобно разместить между несущими плитами элемента брони. Согласно конкретному примеру осуществления изобретения материал напоминает резину и может легко складываться.
Согласно настоящему изобретению предусмотрен N×RA элемент, содержащий невзрывчатый энергетический материал описанного выше типа, для защиты от боеголовок с кумулятивными зарядами, а также от пуль стрелкового оружия, шрапнели, осколков и кинетических снарядов различного типа, например Бронебойных Снарядов, Стабилизированных Оперением, с Отделяющимся Поддоном (Armor Piercing Fin Stabilized Discarded Sabot, APFSDS),
Элемент N×RA содержит модуль, состоящий из наружной покровной плиты и, по меньшей мере, одного многослойного элемента, находящегося внутри этого модуля. Такой многослойный элемент содержит, по меньшей мере, одну пару по существу плоских инертных плит и расположенный между ними невзрывчатый энергетический материал, описанный выше.
Согласно некоторым примерам осуществления изобретения в модуле может быть несколько пар инертных плит, например, изготовленных из металлов (таких как сталь, алюминий и титан), керамики, композитных материалов и др., между которыми расположен невзрывчатый энергетический материал. Кроме того, покровная плита элемента реактивной брони может представлять собой переднюю плиту (или верхнюю/нижнюю плиту), по меньшей мере, одного многослойного элемента.
Реактивная броня согласно настоящему изобретению может иметь любые формы и размеры, известные на современном уровне техники и подходящие для защиты различных оболочек, а также может иметь различные конфигурации.
Реактивный элемент согласно настоящему изобретению (N×RA) эффективен для защиты от боеголовок с кумулятивными зарядами, например - RPG7, а также для защиты от различных типов кинетических снарядов, например - APFSDS, пуль стрелкового оружия (например - калибра 14,5 мм), шрапнели и осколков. N×RA элемент согласно настоящему изобретению обеспечивает сравнимую со SLERA эффективность, как обсуждалось выше, и сравнимую с NERA живучесть. NxRA элемент имеет преимущества перед другими технологиями реактивной брони, поскольку он является абсолютно пассивным, как NERA, обеспечивает улучшенную живучесть защищаемой оболочки, соседних реактивных элементов, а также обеспечивает превосходную защиту от множественных попаданий боеголовок с кумулятивными зарядами, пуль стрелкового оружия и кинетических снарядов и устраняет опасности, связанные с образованием осколков.
Согласно настоящему изобретению предусматривается невзрывчатый энергетический материал, являющийся генератором газа и содержащий окислители и горючие материалы, причем возбуждение материала после поджига кумулятивной струей кумулятивного заряда приводит к образованию большого количества газа, что ускоряет/деформирует броневые плиты реактивной брони. Поэтому необходимо, чтобы газ выделялся быстро, то есть в течение не более чем нескольких микросекунд (мкс), для обеспечения разрушения / рассеивания кумулятивной струи и для минимизации ее проникновения в защищаемую среду.
Для этой цели выбраны группа окислителей и группа горючих материалов, которые совместно с подходящим катализатором (или катализаторами) и связующим веществом (или связующими веществами) обеспечивают результирующий невзрывчатый энергетический материал, представляющий собой генератор газа.
Согласно конкретному примеру осуществления изобретения невзрывчатый энергетический материал содержит окислитель, выбранный из группы семейств, содержащих, среди прочего, нитраты (соли или сложные эфиры азотной кислоты), нитриты (соединения, содержащие нитритные радикалы; эти соединения имеют органическую или неорганическую природу), хроматы (соли или сложные эфиры хромовой кислоты), бихроматы (соли или сложные эфиры бихромовой кислоты), перхлораты (соли перхлорной кислоты), хлораты (соли - производные хлорноватой кислоты) и т.п., горючий материал в виде любого типа углеродсодержащего материала и связующее вещество, которое может также служить горючим материалом.
Согласно конкретному примеру осуществления изобретения невзрывчатый энергетический материал содержит в качестве окислителя нитрат натрия (NаNО3) и силиконовое связующее вещество в качестве горючего материала. Также возможно сочетание нескольких типов окислителей и горючих материалов для улучшения характеристик энергетического материала в элементе реактивной брони.
Для увеличения скорости реакции невзрывчатого энергетического материала к композиции могут быть добавлены микрошарики (то есть полые сферические элементы). Считается, что микрошарики повышают скорость реакции после поджига брони кумулятивной струей от кумулятивного заряда. Эти сферические элементы могут быть изготовлены, например, из стекла, пластмассы, металлических или керамических материалов. Диаметр этих сфер может быть равен примерно 40 мкм, хотя подходящими могут быть и другие размеры.
Невзрывчатый энергетический материал согласно настоящему изобретению является гибким листом материала, который является пластичным и который можно легко резать, прокалывать и т.п., поэтому его удобно размещать между несущими плитами элемента брони. Согласно конкретному примеру осуществления изобретения материал напоминает резину и легко складывается.
Энергетический материал не классифицируется как материал класса 1 согласно определениям предписаний ЕС и Министерства транспорта (DOT) США и поэтому он является невзрывчатым энергетическим материалом.
Невзрывчатый энергетический материал пригоден для производства N×RA элемента для защиты оболочек от боеголовок с кумулятивными зарядами, пуль стрелкового оружия, шрапнели, осколков и кинетических снарядов. Такой элемент реактивной брони содержит блок, прикрепляемый к оболочке и содержащий наружную покровную плиту и, по меньшей мере, один многослойный элемент, расположенный под этой плитой; причем многослойный элемент содержит, по меньшей мере, одну пару по существу плоских плит и расположенный между ними невзрывчатый энергетический материал.
В одном из примеров энергетический материал содержит:
окислитель - до примерно 80%,
горючий материал - до примерно 50%,
катализатор - до примерно 2%, и
микрошарики - до примерно 10%.
В конкретном примере осуществления изобретения энергетический материал согласно настоящему изобретению содержит:
окислитель - от примерно 30 до примерно 80% (например - нитрат натрия),
горючий материал - от примерно 25 до примерно 50% (например - силиконовое связующее вещество),
катализатор - от примерно 0 до примерно 2% (например - оксид железа (III), и
микрошарики - от примерно 0 до примерно 10%.
Предполагается, что приведенное выше описание примеров осуществления изобретения предназначено только для использования в иллюстративных целях, и что возможны многие другие примеры осуществления изобретения, которые входят в объем и соответствуют содержанию настоящего изобретения.
Реферат
Группа изобретений относится к реактивной броне. Элемент реактивной брони для защиты от кинетических снарядов и пуль содержит блок, состоящий из наружной покровной плиты, и, по меньшей мере, один многослойный элемент, расположенный под этой плитой. Многослойный элемент содержит, по меньшей мере, одну пару по существу плоских плит и расположенный между ними энергетический материал. Энергетический материал является невзрывчатым, не относящимся к классу 1 материалом, содержащим окислитель и горючий материал, которые совместно с подходящим каталитическим материалом и силиконовым связующим веществом образуют результирующий невзрывчатый энергетический материал, представляющий собой генератор газа. Изобретение также предусматривает многослойный элемент, невзрывчатый энергетический материал, который можно использовать для получения таких элементов реактивной брони, и способ защиты тела от кинетических снарядов и пуль. 4 н. и 25 з.п. ф-лы.
