Экспериментальное определение баллистической энергоемкости защитных структур
Назначение защитной структуры - поглощение или рассредоточение энергии средства поражения в процессе взаимодействия, вследствие чего, снижается энергия, передаваемая располагаемому за ней объекту, и интенсивность воздействия на объект становится ниже допустимого уровня. Чем больше энергия, поглощаемая защитой, то есть чем выше ее энергоемкость, тем надежнее защита. Поэтому предлагаемый метод экспериментального определения баллистической энергоемкости защитных структур может внести свой вклад в совершенствование средств индивидуальной защиты.
Наиболее обоснованное применение метод находит [11.25- 11.29] при исследовании воздействия недеформируемых пуль или стальных имитаторов осколков на тканевые бронематериалы. В этом случае не возникает методических вопросов, связанных с идентификацией элемента, проникающего в запреградное пространство. После пробития неметаллических преград ударник сохраняет форму и целостность, его масса не изменяется и не образуются вторичные осколки. Поэтому для определения запреградной скорости можно обойтись без рентгено-импульсной или высокоскоростной оптической регистрации процесса и использовать относительно простые измерители скорости. Энергоемкость защиты, определяемая как разность кинетической энергии ударника до преграды и после ее пробития, в этом случае определяется достаточно надежно. Схема соответствующей экспериментальной методики представлена на рис. 11.25.
Следует отметить, что для надежного определения энергоемкости измеренные в эксперименте скорости необходимо приводить с учетом падения скорости на участках от измерителя скорости до поверхности исследуемой защитной структуры соответственно к лицевой и тыльной поверхностям.
На рис. 11.26 приведены результаты по определению ударной и запреградной скоростей при воздействии стандартных стальных шариков массой 1,03 г на 18-слойные тканевые пакеты из ткани К-12. На этом же рисунке приведены расчетные значения запреградной скорости, определенные при постоянной энергоемкости тканевого пакета, удовлетворительно согласующиеся с экспериментальными результатами.
При экспериментальном определении баллистической энергоемкости текстильной брони установлено [11.25.-11.27.], что ее энергоемкость уменьшается с увеличением ударной скорости. Приведенные на рис. 11.27. результаты экспериментального исследования 18-слойного пакета ткани показывают, что при изменении скорости ударника от 450 м/с до 900 м/с энергоемкость снижается в 2 раза. Причем более резкое изменение энергоемкости наблюдается в зоне скоростей, примыкающей к баллистическому пределу стойкости пакета. Теоретический анализ баллистической энергоемкости текстильных пакетов дан в гл. 3.
Представляет интерес более подробное рассмотрение изменения энергоемкости в диапазоне скоростей воздействия, в котором наблюдаются случаи как пробития, так и непробития исследуемой защитной структуры. В случае непробития защиты ею поглощается вся энергия ударника.
На рис. 11.28. представлена закономерность изменения энергоемкости 18-слойного пакета в зоне смешанных результатов при изменении ударной скорости в диапазоне скоростей испытаний по определению v50. Полученные результаты показывают, что при максимальной скорости непробития, составляющей 470 м/с, энергоемкость пакета достигает значения 115 Дж, а при минимальной скорости пробития - 450 м/с энергоемкость составляет 80 Дж. Разброс скоростей от максимальной скорости непробития до минимальной скорости пробития может достигать 40...60 м/с, что соответствует изменению поглощаемой энергии энергоемкости 40...50 Дж.
Были проведены испытания тканевых пакетов с различным количеством слоев (4, 6, 12, 18 и 30 слоев) при простреле стандартным имитатором осколка. По результатам испытаний и обработки полученных экспериментальных данных по способу наименьших квадратов определена энергоемкость единичного слоя Е1 ткани и подобрана аппроксимирующая экспоненциальная зависимость энергоемкости в зависимости от скорости v взаимодействия: WБЭ1= 9exp {-0,0015v}. Энергоемкость единичного слоя конкретной ткани является показателем, характеризующим ее баллистические свойства.
На основе полученных результатов, в предположении о последовательном поглощении энергии ударника независимыми слоями ткани, разработана инженерная методика и программа расчета баллистической стойкости тканевых защитных структур. Исходными данными являются энергоемкость единичного слоя, ударная скорость и количество слоев ткани в бронепакете. В результате расчета определяются послойно поглощаемая энергия и скорость ударника. Кроме того, в цикле с заданным шагом варьируется значение ударной скорости и для каждого из них определяется количество слоев ткани, обеспечивающих надежную защиту, соответствующих пределу кондиционного поражения vпкп, и количество слоев, соответствующих баллистическому пределу v50.
При проведении испытаний по определению v50 при ударной скорости, соответствующей значению v50, запреградная скорость ударника в случае пробития преграды находится на уровне 200...300 м/с, что соответствует энергии 30...40 Дж. Поэтому при расчете количества слоев, соответствующих скорости v50 принималось такое количество слоев, за которым тыльная энергия составляет 35 Дж. На рис. 11.29. и 11.30. представлены расчетные и экспериментальные данные по количеству слоев, соответствующих баллистическому пределу, и значения запреградной скорости в зависимости от ударной для 4, 6, 12, 18 и 30-слойных тканевых пакетов. Несмотря на упрощенное допущение о послойном поглощении энергии ударника, представленные результаты свидетельствуют об удовлетворительном согласии расчетных и экспериментальных данных [11.29].
При проведении дальнейших исследований и определении аналогичных характеристик для различных типов тканей с использованием разработанной расчетной модели можно проводить оптимизацию комбинированных многослойных структур защиты на основе текстильной брони.
Учитывая, что скорость взаимодействия ударника с преградой изменяется в процессе проникания, по мере его внедрения в защитную структуру, информация об энергоемкости различных материалов в зависимости от скорости взаимодействия представляется весьма существенной. В качестве иллюстрации на рис. 11.31. приведены результаты исследований по определению энергоемкости для трех защитных структур при пробитии их стальным шариком массой 1,03 г. в зависимости от скорости соударения листа из алюминиевого сплава АБТ, толщиной 3,4 мм; 6-слойного тканевого пакета из баллистической ткани СВМ и 12-слойного тканевого пакета из баллистической ткани СВМ.
После пробития тканевого пакета шарик оставался целым, недеформированным. В экспериментах с алюминиевой преградой в запреградное пространство проникал шарик вместе с алюминиевой пробкой, масса которой составляла 0,2 г, что учитывалось при определении энергии, израсходованной на пробитие мишени.
Приведенные данные показывают, что энергоемкость алюминиевой пластины существенно зависит от скорости удара, при этом с увеличением скорости она возрастает практически линейно (коэффициент корреляции для линейной зависимости равен 0,96). Для относительно тонкого тканевого пакета (6 слоев) энергоемкость практически не зависит от скорости удара в диапазоне изменения от 450 до 1100 м/с. Для 12-слойного пакета энергоемкость зависит от скорости и снижается при увеличении скорости удара.
Результаты проведенных испытаний по определению энергоемкости согласуются с выводом, известным разработчикам СИБ, о том, что в комбинированной защитной структуре тканевые материалы целесообразно использовать в тыльных слоях, предварительно погасив скорость ударника в лицевых слоях из других материалов.
Метод экспериментального определения энергоемкости различных материалов является перспективным, и при накоплении данных для различных материалов, используемых в средствах защиты, позволит целенаправленно оптимизировать структуру и конструкцию защиты.
Смотрите также
