Современные бронешлемы – защитные структуры и технологии изготовления

Индивидуальная защитная экипировка бойца на поле боя используется уже не одну тысячу лет и ее компоненты хорошо известны историкам и археоло-гам, изучены до малейших подробностей. Испокон веку важнейшей частью бое-вой защиты считается бронешлем (БШ).

В этой статье будут рассмотрены некоторые аспекты, относящиеся к современным материалам и конструкциям БШ.

Конструкция и геометрическая форма БШ менялась со временем в зави-симости от постоянного совершенствования оружия и средств поражения, от ко-торых надо было защитить человека. Однако, материал, из которого изготавлива¬ли 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 80-х годов XX века только стальные БШ использовались во всех армиях мира.

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 защите черепа от ударных нагрузок.

В середине XX века, когда были проанализированы результаты 1-й и 2-й мировых войн и последующих локальных конфликтов (в Корее и Вьетнаме) стало очевидно, что стальной гомогенный БШ не может обеспечить защиту головы бой¬ца от наиболее массовой части спектра осколочного потока поражения на совре¬менном поле боя. Уровень его противоосколочной стойкости (ПОС) был весьма низок и не превышал V50%= 300-350 м/с для осколка массой 1г (50%-ная вероят¬ность непробития корпуса БШ). Надо сказать, что сделать защиту с более высокой ПОС можно только за счет увеличения толщины корпуса БШ, что сразу "приведет; к существенному увеличению носимой на голове массы. Так, например, чтобы поднять ПОС стального БШ с V50%= 300м/с до V5o%= 600 м/с надо почти удвоить толщину корпуса с 1,6мм до 2,5мм, что при физической плотности стали рст=7,85 г/см3 приведет к увеличению массы корпуса БШ с 1500г до 2350г. Это недопустимо, т.к. существуют медико-технические ограничения по величине допустимой носимой массы БШ, которые предписывают максимальный предел для общевой¬скового БШ в 1600г.

Такое ограничение обусловлено тем, что опытно-экспериментальным пу¬тем медиками была определена возможность получения тяжелой травмы шейно- го участка позвоночника человеком при превышении носимой распределенной массы БШ на голове сверх 1600г.

Таким образом, на рубеже 60-х - 70-х г.г. XX века появилась задача созда-ния низкоплотных полимерных материалов, обладающих соизмеримым с высо-копрочной сталью пределом прочности, которые пришли бы на замену стальному листовому прокату в производство БШ и позволили бы значительно повысить ПОС корпуса без увеличения его массы. Кроме того, полимерные материалы, ввиду своих физико-механических свойств, лучше поглощают и рассеивают удар¬но-волновую энергию взаимодействия средства поражения с защитной структу¬рой преграды, чем гомогенная высокоуглеродистая сталь.

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

Первый в мире тканево-полимерный шлем появился в США. Его разработа¬ла Натикская научно-исследовательская лаборатория Армии США в конце 1970-х годов. В начале 1980-х годов он был принят на вооружение сухопутных войск. Шлем получил название Personnel Armor System, Ground Troops (PASGT). Он был выполнен из ткани на основе волокна Kevlar®29 и связующего - фенольной или PVB смолы. Масса БШ составляла 1,4 (3,1 фунта) -1,9 кг (4,2 фунта)} имел 5 типо¬размеров - XS, S, M, L, XL. Уровень ПОС шлема определялся военным стандартом MIL-STD-662E, полицейским NIJ 0106 и составлял V50% = 600м/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 этих шлемов достаточно проста. Ткань, пропитанную полимерным связующим, проще говоря, смолой, укладывают в несколько слоев в форму. Полученную заготовку прессуют при определенной температуре, связующее полимеризуется, твердеет. От прессованной оболочки обрезают облой, ус¬танавливают подтулейное устройство - 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 прес¬сования. Поэтому достаточно быстро шлемы аналогичные PASGT начали выпус¬каться во многих странах. За 30 лет произведено несколько миллионов штук шлемов типа PASGT, он принят в качестве основного в НАТО и до сих пор исполь¬зуется Армией США. В армиях многих стран по всему миру используется или этот шлем или его аналоги. Количество фирм-производителей шлемов типа PASGT пе¬ревалило за несколько сотен. Соответственно и разброс характеристик этих шле¬мов, как по массовым, так и по защитным характеристикам достаточно велик.

Хотя в целом шлем удовлетворял требованиям военных, работы по его со-вершенствованию были начаты уже в конце 90-х годов. Работы эти были иниции¬рованы началом реализации во многих странах мира программ по оснащению бойца будущего столетия. Этими программами боец и его экипировка рассматри¬ваются как единая система, которая, взаимодействуя с другими системами, должна максимально эффективно выполнять боевую задачу. Средства защиты, и шлем в частности, принимаются программой как элемент, который кроме выпол¬нения защитных функций должен комплексироваться с другими элементами сис¬темы. 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 уве-личению массы, нагружающей голову.

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

Однако реализовать эти цели зарубежным разработчикам удается с боль-шим трудом. Основная причина кроется как раз в созданной и эксплуатируемой ими технологии. Уже давно стало ясно, что баллистическая ткань наиболее эф-фективно работает, когда ее отдельные нити имеют возможность при упругой деформации растягиваться, достигая предела текучести, что происходит при мак¬симальных нагрузках на материал. Ткань сама по себе уже ограничивает эластич¬ность нитей и от типа плетения стойкость ткани может существенно меняться. Если же ткань пропитать смачивающим клеевым составом и превратить в жесткий 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 мате-риалы, зарубежным разработчикам удалось на 10-15% снизить и массу шлема и поднять его ПОС. Так, применение нового усовершенствованного арамидного во-локна «Kevlar® KM2» и изготовление из него нитей более низкой линейной плот-ности (44текс, 67текс.) позволило снизить вес шлема на 8-10%.

Дальнейшие исследования по снижению веса привели к разработке и при-нятию на вооружение армии США в 2002 г новой, также арамидной, каски АСН (Advanced Combat Helmet), имеющей ещё меньший вес. Правда, снижение веса обеспечивалось, в основном, уменьшением на 8 % площади защиты, но разра-ботчикам удалось увеличить на 6% ее ПОС.

Усиленно работает над проблемой снижения массы шлема и бывший раз-работчик шлема PASGT- исследовательская лаборатория NATICK. Так она в на-стоящее время исследует два новых материала, которые могут решить проблему снижения веса. Один из них - известный материал «Zyion». Используя этот мате¬риал, фирме удалось получить шлем массой всего в 800 г. (1,79 фунт). Однако, этот материал оказался нестойким к воздействию солнечного света, воды и пото¬му непригодным для использования в шлемах. Сейчас фирма исследует новый материал на основе волокна М5, разработанного фирмой Magellan Systems Int. Расчеты показывают, что при том же уровне защиты использование материала М5 позволит уменьшить массу шлема на 35 %. Однако пока американский солдат воюет в шлеме, масса которого не менее 1,3-1,5 кг, а ПОС не превышает 680-700 м/с по STANAG-2920.

Россия значительно позже многих зарубежных стран начала думать о заме¬не стальной каски CLU-68 на тканево-полимерную, хотя работы по созданию такой каски начались в НИИ Стали в инициативном порядке еще с середины 80-х годов. Разработчики института начали осваивать принципиально другую технологию -технологию термопластичного прессования квазигомогенных многослойных пле¬ночных структур, или, как ее часто сейчас называют, - «пленочную» технологию. Суть ее проста - слои баллистической ткани прокладываются тонкой термопла¬стичной пленкой. Затем пакет закладывается в прессформу, нагревается, прессу¬ется и охлаждается. Пленка расплавляется и соединяет слои ткани. После охлаж¬дения получается жесткая гомогенная оболочка корпуса шлема. По расчетам разработчиков пленка, размягчаясь, не смачивает нити ткани, оставляя им прак¬тически полную свободу предельной упругой деформации, а значит, стойкость такой композиции должна быть выше, чем у эквивалентного по массе препрега. Практика показала, что расчет был верен. Правда, чтобы прийти к желаемому ре¬зультату институту потребовалось почти 10 лет. Именно столько шла отработка промышленной высокопроизводительной технологии получения шлемов тре¬буемого качества. Зато у разработчиков 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 российской армии. По своим характеристикам он сразу же превзошел 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 разра¬ботал и сдал на вооружение еще 3 модели шлемов - 6Б26, 6Б27 и 6Б28. Все они являлись и до сих пор являются рекордсменами по массе и стойкости. Оптимизи¬руя состав пакета, НИИ Стали удалось создать шлем массой не более 1,1 кг с ПОС выше 700 м/с (по STANAG - 730-740 м/с), причем не в опытном экземпляре, а в серийном производстве. Это прототип конструкции общевойскового БШ 2-го поколения.

В жизни за все надо платить. Естественно, столь высокие характеристики шлема были достигнуты соответственной ценой. Так жесткие требования предъ¬являются к качеству используемой баллистической ткани, малейшее отклонение от паспортных характеристик отправляет ткань в брак. Технология допускает ис¬пользование в пакетах только цельных кусков, тогда как в препреговой техноло¬гии 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 време¬ни, чем в препреговой технологии, поскольку контролируемый нагрев заготовки и ее охлаждение происходят непосредственно в прессовой оснастке. Правда своими последними работами разработчики НИИ Стали показали, что резервы в оп¬тимизации этой технологии есть и они не малые. Найдены решения по сокраще¬нию цикла нагрева и охлаждения заготовки. Не следует забывать еще ряд важных моментов. Поскольку пленочная технология не использует вредных смол, она на порядок экологически чище, что проявляется как в производстве, так и при экс¬плуатации шлема. Да и для организации крупносерийного производства пленоч¬ная технология прогрессивнее препреговой, поскольку позволяет автоматизировать процесс сборки тканево-полимерных пакетов для прессования, тогда как в препреговой технологии эта операция выполняется вручную.

Следуя из вышесказанного, и зарубежная и отечественная конструк¬ция тканево-полимерного БШ используют в качестве защитной структуры много-слойную квазигомогенную композицию на основе высокопрочной арамидной ткани и полимерного термореактивного или термопластичного связующего, кото-рое 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 позволяет оптимально использовать физико-механические свойства материалов структуры, а именно - 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 именно величина динамического прогиба оболочки корпуса БШ при непробитии защитной струк¬туры является определяющим фактором запреградного контузионного воздейст¬вия на голову человека. Поэтому максимально допустимая величина динамиче¬ского 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 «сме-шанная» технология, которая включает элементы препреговой технологии в соче¬тании с «сухими» слоистыми тканевыми арамидными пакетами. При этом наруж¬ные тканевые слои защитной структуры пропитываются полимерным термореак¬тивным связующим, а внутренние слои остаются сухими. Такая структура получила название от своих разработчиков (ЗАО ЦВМ «Армоком») - «дискретно тканевая структура» (ДТС).

Начиная с 2000г. российские ВС заказывают тканево-полимерные БШ, изго-тавливаемые и по пленочной технологии и по технологии ДТС примерно в одина¬ковых количествах. Только в 2010 - 2011г.г. их было произведено и поставлено в армию около 70000 шт. Причем, боевые защитные и эксплуатационные характе¬ристики гомогенного и дискретно-тканевого БШ абсолютно одинаковы, цена обоих образцов единая. В чем же различие?

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

Но кроме этого преимущества больше никаких защитных выгод технология ДТС не дает, не говоря уже об относительно низкой производительности изготов¬ления таких конструкций, прежде всего, за счет большой доли ручного труда, применяемого при сборке тканевого пакета. Вместе с тем, ДТС имеет один суще¬ственный недостаток - слишком малую толщину жестко-упругой внутренней обо¬лочки корпуса БШ, задача которой состоит в том, чтобы за счет поглощения энер¬гии упругой деформации сухого тканевого пакета сократить величину динамиче¬ского прогиба полимерной композиции. Но т.к. сухой тканевый пакет не связан с тонким упругим подпором из препрега, то и вся энергия упругой деформации па¬кета приходится на локальную зону поражения тонкой препреговой оболочки, а не распределяется равномерно послойно по всей толщине структуры как у гомо¬генного тканево-полимерного корпуса. В этом случае, если в эквивалентных усло¬виях сравнивать значения динамического прогиба двух технологически разных БШ - гомогенного и ДТС, то оказывается что для ДТС величина динамического прогиба больше чем у гомогенного пленочного термопласта.

Вопрос: «какая из технологий более предпочтительна и прогрессивна?» на-ходится в компетенции Заказчика, который на этапе государственных испытаний

детально определил все ТТХ обоих БШ, каждого в отдельности, и допустил в се¬рийное производство оба образца.

Пока идет серийное производство тканево-полимерных БШ первого поколения можно было бы и не заострять внимание на технологических аспектах производства различных образцов, тем более, что производство ведется по действующей рабочей конструкторской документации литеры «О1», утвержденной Заказчиком, Однако, при создании боевой экипировки 2-го поколения, Заказчик выдвинул требование о разработке единой конструкции, а значит и защитной структуры, общевойскового БШ.

Становится злободневным «отложенный» Заказчиком вопрос - «Какая структура полимерной защитной композиции отвечает современным требовани-ям по противоосколочной и противопульной стойкостям в максимальной степе-ни? Какая структура обеспечивает наиболее приемлемые значения запреградного контузионного воздействия?»

Совершенно очевидно, что ответ на этот вопрос Заказчик может получить только после комплексных сравнительных испытаний различных БШ, в том числе и зарубежного производства, в первую очередь медико-биологических исследований результатов динамического воздействия средств поражения на корпус БШ и голову человека. Не ответив на этот вопрос, нельзя будет принять выверенного и обоснованного решения в области боевой экипировки на длительную перспективу.

Авторы: Д.Г.Купрюнин, А.И.Егоров, Е.Н.Чистяков