Материалы и защитные структуры для локального и индивидуального бронирования

Процесс взаимодействия с элементами защиты таких средств поражения, как пули стрелкового оружия или осколки, формируемые осколочно-фугасными боеприпасами, подвержен влиянию многочисленных факторов, имеющих случайный характер. Например, условия подхода пули к защите характеризуются не только скоростью поступательного движения, которая составляет сотни метров в секунду, но и характеристиками прецессионнонутационного движения пули, которые в начальный момент взаимодействия могут считаться случайными. Поэтому даже для конкретной пары пуля-преграда результат взаимодействия имеет вероятностный характер, а баллистическая стойкость защиты характеризуется статистическим распределением вероятности непробития в зависимости от скорости пули или других характеристик взаимодействия.

Баллистическая стойкость защиты определяется, как правило, экспериментально путем ее обстрела пулями или имитаторами осколков. Характеристиками баллистической стойкости защиты, используемыми на практике, являются:

• предел кондиционного поражения по скорости v_nKn - значение скорости поражающего элемента, ниже которой обеспечивается надежное (практически 100 %) непробитие защиты. Эта характеристика в основном распространяется на случаи взаимодействия средства поражения по нормали к поверхности преграды и используется преимущественно разработчиками защиты;
• предел сквозного пробития по скорости v_ncn - значение скорости поражающего элемента, выше которой обеспечивается надежное (практически 100 %) пробитие защиты, эта характеристика также в основном распространяется на случаи взаимодействия средства поражения по нормали к поверхности преграды и преимущественно используется разработчиками средств поражения;
• баллистический предел v₅₀, характеризующийся значением скорости поражающего элемента, при которой вероятность пробития, а также и непробития защиты составляет 50 %. Эта наиболее надежно определяемая характеристика достаточно широко используется [11.15-11.20.] при оценке качества защитных материалов, входном контроле бронематериалов;
• предел кондиционного поражения по углу α_ПКП - значение угла взаимодействия поражающего элемента с преградой, отсчитываемого от нормали к поверхности преграды, при превышении которого обеспечивается надежное (практически 100 %) непробитие защиты. Существование этой характеристики связано с тем, что изменение конструктивного угла защиты бронемашины или другого объекта бронетехники является одним из способов повышения его защищенности.

Следует отметить, что перечисленные выше характеристики баллистической стойкости предполагают монотонный характер изменения вероятности пробития защиты от скорости удара и угла взаимодействия. Чем выше скорость удара, тем больше вероятность пробития преграды при прочих равных условиях. И, соответственно, чем меньше угол взаимодействия от нормали к преграде, тем больше вероятность пробития.

Учитывая относительно высокую стоимость испытаний, актуальной задачей является разработка более информативных методов исследования, позволяющих целенаправленно искать оптимальные защитные структуры при минимальных затратах времени и средств.

Рассмотрим технологию определения пределов пробития и непробития на примере определения предела кондиционного поражения по скорости v_nKn. При проведении испытаний производят выстрелы из конкретного оружия по заданной защите с варьированием скорости, обычно с шагом 20 м/с, добиваясь при этом, чтобы в интервале скоростей 20 м/с находились результаты с пробитием и непробитием защиты. Результаты типичной серии опытов по определению предела кондиционного поражения по скорости представлены в табл. 11.2 и на рис. 11.13.

1. В качестве базовой точки для определения v_nKn используется случайный результат - минимальная скорость пробития, вероятность появления которого близка к нулю.
2. При определении v_nKn используется не вся информация, полученная при проведении опытов, а только результаты 5-7 опытов, т.е. менее половины информации.
3. Усреднение результатов опытов, проведенных в указанном интервале скоростей [v_{мин проб}...(v_{мин проб} - 20 м/с)], может приводить к изменению v_nKn в пределах до 20 м/с в зависимости от конкретно полученных значений скоростей в заданном интервале.
4. Получение непробития в ряде зачетных опытов не означает 100% вероятности непробития, а позволяет лишь утверждать, что верхняя граница вероятности непробития не превышает 0,72 при доверительной вероятности 0,9 для 7 опытов, или 0,63 для 5 опытов. При этом определить, какой вероятности непробития соответствует найденное значение скорости v_nKn не представляется возможным.
5. Не определяется другой, не менее важный предел - предел сквозного пробития v_псп. Следует отметить, что интервал от до v_псп для большинства защитных структур составляет 20...80 м/с.

Для нахождения предела сквозного пробития по скорости v_псп, применительно к рассматриваемым выше экспериментальным результатам, следовало бы продолжить испытания в диапазоне скоростей на 20 м/с выше максимальной скорости непробития (от 540 до 560 м/с) и если в этом диапазоне удастся получить не менее 5-7 результатов пробития, то их среднее арифметическое значение и будет искомым значением v_псп. Если же при скорости большей, чем 540 м/с, будет получено еще непробитие, тогда следует продолжить испытания от этого нового значения максимальной скорости непробития по описанной выше схеме.

Аналогичным способом определяется значение пределов кондиционного и некондиционного поражения по углу. При этом шаг по углу принимается равным 2°, а скорость взаимодействия должна быть относительно постоянной, т.е. находиться в пределе ±10 м/с от заданного значения.

Наиболее достоверной характеристикой баллистической стойкости защиты, определяемой по получаемым в баллистических экспериментах данным, является баллистический предел V50, который достаточно широко используется в процессе производства средств защиты как критерий качества изготовления продукции и служит нормой для ее приемки или браковки. В частности, в военных стандартах США [11.17.] для броневой стали и для алюминиевых бронесплавов 5083 и 5456 баллистический предел V50 служит характеристикой для приемки партий стальной брони и броневого алюминия для изготовления боевых машин, что иллюстрируется диаграммой, приведенной на рис. 11.14.

Общепринятая методика экспериментального определения v₅₀ заключается в проведении серии баллистических испытаний в объеме не менее 20 опытов с изменением скорости поражающего по схеме «вверх-вниз», т.е. уменьшении скорости поражающего элемента в следующем опыте после получения пробития защиты, или увеличении скорости поражающего элемента после ее непробития. На основе практического опыта, накопленного в Российском Центре испытаний средств индивидуальной защиты НИИ стали, можно рекомендовать следующую методику проведения испытаний по определению v₅₀, позволяющую сократить объем испытаний.

-v_{min проб} - минимальная скорость пробития защиты, т.е. скорость, ниже которой не наблюдались случаи пробития защиты.

При этом, возможны 2 случая:

1) v_{min проб} < v_{min проб}, т.е. имеется зона смешанных результатов - диапазон скоростей, в котором наблюдается как пробитие, так и непробитие защиты. Этот случай характерен для большинства тканевых и металлических материалов, причем ширина зоны (В₃ = v_{max непр} - v_{min проб}) достигает значений несколько десятков и даже сотен метров в секунду.

2) v_{min проб} > v_{max непр}, т.е. зона смешанных результатов отсутствует, т.е. граница между областями пробития и непробития защиты резкая. В практике испытаний защиты минимальной массы такой случай встречается относительно редко.

В процессе испытаний скорость может изменяться в широких пределах, поэтому представляется важным определение зачетного диапазона скоростей, поскольку непробитие защиты при очень малой скорости, а также пробитие защиты при очень большой скорости очевидны и не несут значимой информации. Наиболее информативными являются результаты, полученные в диапазоне скоростей вблизи зоны смешанных результатов. При этом границы этой зоны имеют существенное значение и должны быть надежно подтверждены. Для этого в достаточно узком диапазоне должно быть получено не менее 2-х непробитий при скоростях меньше v_{min проб} и соответственно не менее 2-х пробитий при скоростях больше v_{max непр}. Исходя из практического опыта и правил определения пределов непробития, величина диапазона для подтверждения границ должна составлять 20 м/с. Предлагаемые правила определения зачетного диапазона испытаний иллюстрируются данными табл. 11.4.

Количество опытов, достаточных для надежного определения характеристик защиты, связано со стабильностью защитных характеристик испытываемого образца, которую можно характеризовать шириной зоны смешанных результатов. Если ширина зоны смешанных результатов относительно невелика - менее 40 м/с, то для надежного определения значения v₅₀ достаточно получения внутри нее 10 результатов. Т.е. в среднем в диапазоне скоростей 4...5 м/с необходимо иметь хотя бы один результат. Соответственно, в случае большей ширины зоны смешанных результатов количество опытов должно быть увеличено. Если зона смешанных результатов отсутствует, то необходимо стремиться уменьшить размах скоростей от v_{max непр} до v_{min проб}, добиваясь того, чтобы он не превышал 10 м/с. Рекомендуемый объем испытаний в зависимости от ширины зоны смешанных результатов представлен в табл. 11.5.

Схемы определения зачетного диапазона скоростей для случаев наличия или отсутствия зоны смешанных результатов представлены на рис. 11.16 и 11.17.

При проведении испытаний следует стремиться к тому, чтобы соотношение опытов, в которых наблюдается пробитие, и опытов, в которых его не было в зачетном диапазоне скоростей, приближалось к 50:50.

Следует отметить, что получение только характеристики v₅₀ по результатам достаточно большого числа опытов является явно недостаточным. Поэтому в НИИ стали разработана методика и программа расчета обработки экспериментальных результатов с целью извлечения максимальной информации.

Методика позволяет определить значение v₅₀ и распределение вероятности непробития образца в зависимости от скорости поражающего элемента. v₅₀ определяется по распределению частости непробитий в зависимости от скорости при значении частости непробития равном 50 %.

Распределение частости непробития в зависимости от скорости поражающего элемента определяется расчетным путем при использовании следующих допущений:

• все испытания независимы;
• результат каждого испытания альтернативен: пробитие или непробитие;
• при конкретном значении скорости вероятность непробития одинакова во всех испытаниях;
• характер изменения вероятности непробития образца при изменении значений скорости - монотонный (при увеличении скорости поражающего элемента вероятность непробития уменьшается).

Первые три допущения позволяют использовать для статистического анализа схему повторных испытаний и закономерности биномиального распределения. Частость непробития для конкретного значения ударной скорости определяется с использованием четвертого допущения. Суть метода состоит в том, что случай непробития при любом конкретном значении скорости поражающего элемента можно распространить на все случаи непробития с меньшим значением скорости, т.е. если получено непробитие при большей скорости соударения, то при меньшей скорости тем более пробития не будет, и результат этого испытания можно добавить к каждому из испытаний с меньшей скоростью. И наоборот, пробитие при любом конкретном значении скорости можно распространить на все случаи пробития с большим ее значением.

Таким образом, для любого конкретного значения скорости информативными являются все опыты с непробитием при скоростях не менее заданной (обозначим их как накопленное количество непробитий) и все опыты с пробитием при скоростях не более заданной (обозначим их как накопленное количество пробитий).

Исходными данными для расчета являются значения скорости и результат: пробитие (н - некондиция) или непробитие (к - кондиция), для примера приведенные в табл. 11.6.

Порядок расчета:

В начале определяются количества пробитий и непробитий для каждого из полученных значений скорости.

Затем, определяются накопленные количества пробитий для каждого из полученных значений скорости.

Эти характеристики определяются точкой пересечения найденной прямой с осью абсцисс (это значение среднего арифметического нормального распределения, оно же значение v₅₀) и углом ее наклона (это значение стандартного отклонения нормального распределения). Высокое значение коэффициента корреляции (0,9786) подтверждает близость распределения опытных данных к нормальному закону и правомерность его применения. Зависимость вероятности непробития от скорости поражающего элемента и есть искомая аппроксимация опытной частости нормальным законом распределения, по которому легко определять значение вероятности непробития, соответствующей любому конкретному значению скорости.

Результаты расчетов, проведенные по первым десяти опытам, и соответствующие рекомендации, приведены в табл. 11.10.

В методике наиболее полно используется информация, полученная в испытаниях. Она не только позволяет определить значение v₅o, но и дает распределение вероятности непробития защиты при изменении скорости поражающего средства, а также позволяет оценить значения у_пкп и v_ncn.

Результаты обработки всего массива данных приведены на диаграмме рис. 11.22. Найденное значение V50 составляет 559,4 м/с.

Затем, отсортировав общий массив данных по величине скорости, были рассчитаны значения v₅₀ по тем же экспериментальным данным, выбранным в различных диапазонах скоростей. В таблице 11.11. приведены исходные данные, полученные при разбивке общего массива данных, и результаты расчетов v₅₀, а также погрешность относительно истинного значения V50

Представленные данные свидетельствуют о сильной зависимости погрешности определения значения v₅₀ от величины частости кондиционных результатов, которая достаточно хорошо описывается линейной зависимостью. Причем, при меньших значениях частости кондиционных результатов, т.е. при повышенных скоростях, рассчитанное значение выше истинного, а при больших значениях частости кондиционных результатов, т.е. при пониженных скоростях, рассчитанное значение ниже истинного. Впервые аналогичные выводы были получены в работе [11.24]. 

• Список основных сокращений
• Основные понятия и определения
• Текстильная броня
• Механизмы взаимодействия пули с текстильной броней
• Полимерная композитная броня
• Металлическая броня
• Керамическая броня
• Анализ противопульной стойкости многослойных преград с внешним керамическим слоем
• Прозрачная броня
• Броня из наноматериалов - возможности и перспективы
• Заброневое действие высокоскоростного удара пуль при непробитии бронезащиты
• Баллистические испытания средств индивидуальной бронезащиты
• Общие принципы конструирования бронежилетов
• Приложение 1
• Приложение 2
• Приложение 3
• Приложение 4

Материалы и защитные структуры для локального и индивидуального бронирования › Баллистические испытания средств индивидуальной бронезащиты › Экспериментальные методы определения показателей действия средств поражения и характеристик защиты