+7 (495) 485-35-10

   Продукция
PDF Печать E-mail

Только ткань лучше стали

№5, 2012 г. / Арсенал. Военно-промышленное обозрение

Баллистические ткани давно используются для производства армейских шлемов. Сегодня в мире известно 3 технологии изготовления тканевополимерных шлемов.  Каковы особенности каждой технологии, их преимущества и недостатки – этому посвящена статья авторов «НИИ Стали».

 

№5, 2012 г. / Арсенал. Военно-промышленное обозрение

Авторы: Дмитрий Купрюнин, Александр Егоров, Евгений Чистяков

Индивидуальная защитная экипировка используется воинами уже не одно тысячелетие и ее компоненты хорошо известны историкам и археологам, изучены до малейших подробностей. Испокон веков важнейшей частью снаряжения бойца считается бронешлем (БШ). Конструкция и геометрическая форма БШ менялись со временем в зависимости от постоянного совершенствования оружия и средств поражения, от которых надо было защитить человека. Однако материал, из которого изготавливали корпус шлема – его главную конструктивную часть, практически не менялся на протяжении многих столетий. Этим материалом был гомогенный тонкий листовой металл – сначала медь и бронза, потом железо и сталь. До начала 80-х годов прошлого века только стальные БШ использовались во всех армиях мира.

Потребовалась замена

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

“На рубеже 60–70-х возникла потребность в создании низкоплотных полимерных материалов, обладающих соизмеримым с высокопрочной сталью пределом прочности ”

В середине XX столетия, когда были проанализированы результаты Первой и Второй мировых войн, последующих локальных вооруженных конфликтов (в Корее и Вьетнаме), стало очевидно, что стальной гомогенный БШ не может уберечь голову военнослужащего от наиболее массовой части спектра осколочного потока поражения в современном бою. Уровень противоосколочной стойкости (ПОС) этого шлема был весьма низок и не превышал 300–350 метров в секунду для скорости (V50%) условного осколка массой один грамм, который с вероятностью 50 процентов не пробивает корпус БШ – меры, принятой для оценки ПОС.

Надо сказать, что сделать защиту с более высокой ПОС можно только за счет увеличения толщины корпуса шлема, что сразу приводит к существенному увеличению носимой на голове массы.

Так, например, чтобы поднять ПОС стального БШ с V50% в 300 метров в секунду до V50% в 600 метров в секунду, надо почти удвоить толщину корпуса – с 1,6 до 2,5 миллиметра, что при физической плотности стали 7,85 грамма на кубический сантиметр приводит к увеличению массы корпуса шлема с 1500 до 2350 граммов. А это недопустимо, поскольку существуют медико-технические ограничения по величине носимой распределенной массы БШ. Они предписывают: желательно, чтобы максимальный вес общевойскового шлема не превышал 1600 граммов. В противном случае, как опытно-экспериментальным путем определили медики, есть возможность получения человеком тяжелой травмы шейного участка позвоночника.

Таким образом, на рубеже 60–70-х годов XX века возникла потребность в создании низкоплотных полимерных материалов, обладающих соизмеримым с высокопрочной сталью пределом прочности, которые пришли бы на замену стальному листовому прокату в производстве БШ и позволили бы значительно повысить ПОС корпуса шлема без увеличения его массы. Кроме того, полимерные материалы ввиду своих физико-механических свойств лучше поглощают и рассеивают ударно-волновую энергию взаимодействия средства поражения с защитной структурой преграды, чем гомогенная высокоуглеродистая сталь.

Они были первыми

Такой материал впервые разработали специалисты американской фирмы Dupont. Он был назван параарамидным волокном, обладал таким же пределом прочности, как конструкционная сталь, и физической плотностью 1,43 грамма на кубический сантиметр, что более чем в пять раз легче стали.

Из параарамидного волокна сделали нить линейной плотности 110 текс (масса нити в граммах на 1000 метров длины), которая получила торговую марку Kevlar®29, и соткали полотно удельной массой 255 граммов на квадратный метр. Из этой ткани была изготовлена квазигомогенная многослойная тканево-полимерная структура, которая в 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 девятимиллиметрового калибра.

Первый в мире тканево-полимерный шлем появился в США. Его разработала Натикская научно-исследовательская лаборатория американских сухопутных войск в конце 70-х годов. В начале 80-х он был принят на вооружение ВС Соединенных Штатов, получив название Personnel Armor System Ground Troops (PASGT).

Шлем изготавливался из ткани на основе волокна Kevlar®29 и связующего материала – фенольной или PVB смолы. Масса БШ колебалась от 1,4 до 1,9 килограмма (3,1–4,2 фунта). Он имел пять типоразмеров – XS, S, M, L, XL. Уровень ПОС определялся военным стандартом MIL-STD-662E, полицейским NIJ 0106 и составлял V50% в 600 метров в секунду по стандартному осколку STANAG 2920, что примерно соответствует уровню V50% в 570–580 метров в секунду по стальному шарику массой 1,03 грамма, которым испытываются все российские шлемы. Противоударные характеристики регламентированы стандартом MIL-H44099A.

Технология изготовления этих шлемов достаточно проста. Ткань, пропитанную полимерным связующим материалом, проще говоря, смолой, укладывают в несколько слоев в форму. Полученную заготовку прессуют при определенной температуре, связующее вещество полимеризуется, твердеет. От прессованной оболочки обрезают облой, устанавливают подтулейное устройство – шлем готов.

Так как ткань, пропитанную смолой, называют препрегом, то и технология изготовления шлемов получила наименование препреговой. Основное преимущество этой технологии – простота и малая зависимость конечного результата от точности соблюдения режимов прессования. Вот почему шлемы, аналогичные PASGT, достаточно быстро начали выпускать во многих странах. За 30 лет произведено несколько миллионов шлемов типа PASGT, они входят в экипировку военнослужащих вооруженных сил государств НАТО и до сих пор используются сухопутными войсками США. Военнослужащие армий многих стран мира носят или этот шлем, или его аналоги. Количество фирм-производителей перевалило за несколько сотен. Соответственно и разброс характеристик этих шлемов как по массовым, так и по защитным показателям достаточно велик.

Бойцам будущего

Хотя в целом PASGT удовлетворял требованиям военных, работы по его совершенствованию начались уже в конце 90-х годов и были инициированы началом реализации во многих государствах программ по оснащению бойца будущего столетия. В этих программах военнослужащий и его экипировка рассматриваются как единая система, которая, взаимодействуя с другими системами, должна максимально эффективно способствовать выполнению боевой задачи.

Средства защиты и, в частности, шлем согласно этим программам предназначены не только для предохранения военнослужащего от пуль и осколков, но и для того, чтобы комплексироваться с другими элементами системы. Практически во всех программах «Боец будущего» шлем призван быть платформой 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 Пентагон подготовил программу SEP (Soldier Enhancement Program – Программа повышения боевых возможностей солдата), в рамках которой требовалось разработать и испытать шлем с более легкой основой, снизив его вес на 25 процентов.

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 ее 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 ее стойкость может существенно меняться. Если же она пропитана смачивающим клеевым составом и превратится в жесткий композит, то баллистические характеристики последнего будут хуже, чем эквивалентного по массе ничем не связанного тканевого пакета.

Тем не менее, применяя новые, более эффективные, чем Kevlar®29, материалы, зарубежным специалистам удалось на 10–15 процентов снизить массу шлема, подняв 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 восемь-десять процентов.

Дальнейшие исследования по снижению массы привели к разработке и принятию на вооружение ВС США в 2002 году новой, также арамидной каски АСН (Advanced Combat Helmet), имеющей еще меньший вес. Правда, это обеспечивалось в основном уменьшением на восемь процентов площади защиты, но разработчикам удалось увеличить на шесть процентов ее ПОС.

Упорно трудится над проблемой снижения массы шлема и бывший разработчик шлема PASGT – исследовательская лаборатория NATICK. Так, в настоящее время она исследует два новых материала, которые могут решить проблему снижения веса. Один из них – известный Zyion. Используя его, NATICK удалось получить шлем массой всего 800 граммов (1,79 фунта). Однако этот материал оказался нестойким к воздействию солнечного света, воды и потому непригодным для использования в шлемах. Сейчас опробуется новый материал на основе волокна М5 фирмы Magellan Systems Int. Расчеты показывают, что при том же уровне защиты использование М5 позволит уменьшить массу шлема на 35 процентов. Пока же американский солдат воюет в шлеме, масса которого не менее 1,3–1,5 килограмма, а ПОС не превышает 680–700 метров в секунду по STANAG-2920.

В России значительно позже, чем во многих зарубежных странах, задумались о за-мене стальной каски (CШ-68) на тканево-полимерный шлем, хотя к работам по созданию такого средства защиты в НИИ Стали приступили в инициативном порядке еще в середине 80-х годов.

Рекордсмены по массе и стойкости

Сотрудники «НИИ Стали»  начали осваивать принципиально другую технологию – термопластичного прессования квазигомогенных многослойных пленочных структур или, как ее часто сейчас называют, «пленочную». Суть ее проста – слои баллистической ткани прокладываются тонкой термопластичной пленкой. Затем пакет помещается в пресс-форму, нагревается, прессуется и охлаждается. Пленка расплавляется и соединяет слои ткани. После охлаждения получается жесткая гомогенная оболочка корпуса шлема. По расчетам разработчиков, пленка, размягчаясь, не смачивает тканевые нити, оставляя им практически полную свободу предельной упругой деформации, а значит, стойкость такой композиции должна быть выше, чем эквивалентного по массе препрега.

Практика показала, что расчет был верен. Правда, чтобы достичь желаемого результата, институту потребовалось почти десять лет. Именно столько времени шла отработка промышленной высокопроизводительной технологии получения шлемов требуемого качества. Зато появилось широкое поле для оптимизации композиции. Варьируя набором тканей в лицевых и тыльных слоях, меняя толщину и материал пленочного связующего, можно было подобрать наиболее оптимальный вариант для заданных условий.

В 1999 году первый серийный шлем, произведенный в НИИ Стали под индексом «6Б7», поступил в Вооруженные Силы РФ. По своим характеристикам он сразу же превзошел зарубежный аналог: масса – не более 1,3–1,35 килограмма, противоосколочная стойкость – 560 метров в секунду, что соответствует 600–610 метрам в секунду по STANAG.

К 2005 году НИИ Стали разработал и передал Вооруженным Силам еще три модели шлемов – 6Б26, 6Б27 и 6Б28. Все они являлись и до сих пор остаются рекордсменами по массе и стойкости. Оптимизируя состав пакета, Институту Стали удалось создать шлем массой не более 1,1 килограмма с ПОС выше 700 метров в секунду (по STANAG – 730–740), причем не опытный экземпляр, а образец, предназначенный для серийного производства. Это прототип конструкции общевойскового БШ второго поколения.

За все надо платить

Естественно, столь высокие характеристики шлема были достигнуты соответствующей ценой. Так, жесткие требования предъявляются к качеству баллистической ткани: малейшее отклонение от паспортных характеристик отправляет ее в брак. Допускается использование в пакетах только цельных кусков в отличие от препреговой технологии. Это приводит к увеличению расхода дорогостоящего материала и соответственно стоимости конечного продукта.

Опять-таки при сравнении с препреговой технологией больше времени затрачивается на сам процесс прессования, поскольку контролируемый нагрев заготовки и ее охлаждение происходят непосредственно в прессовой оснастке. Правда, последние работы НИИ Стали доказывают, что резервы в оптимизации отечественной технологии есть, причем немалые. Найдены решения по сокращению цикла нагрева и охлаждения заготовки.

Не следует забывать еще ряд важных моментов. Поскольку пленочная технология обходится без вредных смол, она на порядок экологически чище, что проявляется как при изготовлении, так и при эксплуатации шлема. Да и для организации крупносерийного выпуска БШ куда выгоднее применять пленочную технологию, а не препреговую: первая позволяет автоматизировать процесс сборки тканево-полимерных пакетов для прессования, тогда как во второй эта операция выполняется вручную.

Как видно из вышесказанного, в конструкциях и зарубежного, и отечественного тканево-полимерного БШ в качестве защитной структуры задействована многослойная квазигомогенная композиция на основе высокопрочной арамидной ткани и полимерного термореактивного или термопластичного связующего. Оно скрепляет слои ткани по всей толщине структуры и заставляет работать корпус БШ как сплошную высокопрочную упругую оболочку – «полимерную броню».

Очень важно отметить тот факт, что сплошная гомогенная оболочка корпуса обеспечивает оптимальное использование физико-механических свойств материалов структуры: рассеивает ударную волну, образованную импульсом проникающего высокоскоростного средства поражения, и формируемую ею волну упругой деформации композитного материала, не позволяя превышать допустимые значения величины динамического прогиба. А именно величина динамического прогиба оболочки корпуса БШ при непробитии защитной структуры – определяющий фактор 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 пленочного термопласта, используемой для создания гомогенных сплошных оболочек корпусов БШ, в России была разработана «смешанная» технология. Она включает элементы препреговой технологии в сочетании с «сухими» слоистыми тканевыми арамидными пакетами. При этом наружные тканевые слои защитной структуры пропитываются полимерным термореактивным связующим, а внутренние слои остаются сухими. Данную структуру разработчики (ЗАО «ЦВМ «Армоком») назвали «дискретно-тканевой» (ДТС).

В чем разница?

Начиная с 2000 года российские Вооруженные Силы заказывают тканево-полимерные БШ, изготавливаемые и по пленочной технологии, и по технологии ДТС примерно в рав-ных количествах. Только в 2010–2011 годах было произведено и поставлено около 70 000 таких шлемов. Причем боевые защитные и эксплуатационные характеристики гомогенного и дискретно-тканевого БШ абсолютно схожи, цена у них одинаковая.

Различаются же шлемы составом структуры полимерной защитной композиции, получаемой в результате альтернативных технологических процессов прессования оболочек корпуса. В случае применения пленочного термопласта, как уже было отмечено, образуется гомогенная сплошная структура оболочки и процесс взаимодействия средства поражения с такой преградой в общем лежит в плоскости классической теории прочности и упругости материалов.

Корпус шлема, изготовленного по технологии ДТС, имеет выраженную гетерогенную структуру, в состав которой входят две внешние относительно твердые и тонкие оболоч-ки, придающие жесткость всей конструкции, и сухой слоистый пакет арамидной ткани, расположенный между оболочками. Такая структура называется «разнесенной», так как более высокоплотные слои находятся на расстоянии друг от друга, а между ними распо-лагается низкоплотный материал. Разнесенная схема защитной структуры обладает од-ним преимуществом. Это более эффективное поглощение и рассеивание ударной волны за счет наличия границ раздела между разноплотными слоями материалов композиции. Но данное преимущество достигается большей толщиной комбинированного корпуса БШ с ДТС – до 15 миллиметров, тогда как толщина гомогенного пленочного корпуса в самой массивной подтулейной зоне не превышает восьми миллиметров.

Но никаких других защитных выгод технология ДТС не дает, не говоря уже об относи-тельно низких показателях выпуска шлемов, прежде всего из-за большой доли ручного труда, применяемого при сборке тканевого пакета. Вместе с тем ДТС имеет один сущест-венный недостаток – слишком малую толщину жесткоупругой внутренней оболочки кор-пуса БШ, которая должна за счет поглощения энергии упругой деформации сухого ткане-вого пакета сократить величину динамического прогиба полимерной композиции.

Но сухой тканевый пакет не связан с тонким упругим подпором из препрега. Вследствие этого вся энергия упругой деформации пакета приходится на локальную зону поражения тонкой препреговой оболочки, а не распределяется равномерно послойно по всей толщи-не структуры, как у гомогенного тканево-полимерного корпуса. В этом случае, если в эк-вивалентных условиях сравнивать значения динамического прогиба двух технологически разных БШ – гомогенного и ДТС, оказывается, что для ДТС величина динамического прогиба больше, чем у гомогенного пленочного термопласта.

«Отложенные» вопросы

Вопрос, какая из технологий более предпочтительна и прогрессивна, находится в компе-тенции заказчика, который на этапе государственных испытаний детально определил все ТТХ обоих шлемов, каждого в отдельности, и допустил в серийное производство оба образца.

Пока идет серийный выпуск тканево-полимерных БШ первого поколения, можно было бы и не заострять внимания на технологических аспектах изготовления различных образцов, тем более что производство ведется по действующей рабочей конструкторской документации литеры «О1», утвержденной заказчиком.

Однако при создании боевой экипировки второго поколения заказчик выдвинул требова-ние о разработке единой конструкции, а значит, и защитной структуры общевойскового БШ.

Становятся злободневными «отложенные» заказчиком два вопроса: какая структура по-лимерной защитной композиции отвечает современным требованиям по противоосколоч-ной и противопульной стойкости в максимальной степени и которая из них обеспечивает наиболее приемлемые значения запреградного контузионного воздействия?

Совершенно очевидно, что ответ на эти вопросы заказчик может получить только после комплексных сравнительных испытаний различных БШ (в том числе и зарубежных), в первую очередь медико-биологических исследований результатов динамического воз-действия средств поражения на корпус шлема и голову человека. Не разрешив ситуацию, нельзя будет принять выверенного и обоснованного решения в области боевой экипировки на длительную перспективу

 
   Услуги
   Наши партнеры    Наука
© 2014 НИИ Стали