Броня, в частности бронежилет
Изобретение относится к средствам бронезащиты. Предложена броня, разрушающий пули слой для использования в броне и разрушающая пули структура для брони (варианты). Согласно изобретению броня содержит разрушающую пули структуру из по меньшей мере одного разрушающего пули слоя и расположенный за ней по меньшей мере один слой, содержащий баллистически стойкие волокна для захватывания осколков пули. Разрушающий пули слой состоит из баллистически стойкой ткани с перекрещенными нитями основы и утка и расположенных в точках перекрещивания нитей металлических дисков, устойчивых к разрушению при ударе пули и пронизанных по меньшей мере одной из нитей основы или утка. Диски ориентированы своими краями к боковой поверхности пули, проникшей в слой, разрушающий пули. Изобретение направлено на повышение стойкости брони к проникновению высокоскоростных пуль. 4 н. и 15 з.п. ф-лы, 8 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к усовершенствованной броне, в частности к бронежилету и более конкретно к легкому бронежилету, обладающему улучшенной способностью противостоять проникновению высокоскоростных пуль.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Бронежилеты и броня для других целей, предназначенные для того, чтобы обеспечивать барьер для высокоскоростных пуль, обычно содержат в жилете или в другой структуре жесткую пластину из керамических, стальных волокон или из волокон с высоким пределом прочности на растяжение, таких как арамидные, полиэтиленовые или поли-пара-фениленбензо-бис-оксазоловые (ПБО) волокна, ламинированных в жесткую пластину с использованием термоотверждаемых или других клеящих полимеров.
Бронежилеты и броня для других целей, предназначенные для того, чтобы обеспечивать гибкий барьер для высокоскоростных пуль, обычно содержат в жилете или в другой структуре баллистическую ткань, которая может содержать керамические диски или частицы, далее в этой заявке называемые бусинами, образующие барьер для прохождения пули.
В патенте США №5824940 авторов Chediak et al. описана типичная пуленепробиваемая ткань, содержащая керамику, которая включает в себя несколько слоев ткани и керамические структуры, прикрепленные к ткани.
Другие виды брони, в которых использованы сходные принципы, описаны в следующих патентах:
| Clausen et al. | Патент США №4186648 |
| Sandstrom | Патент США №4969386 |
| Dunbar | Патент США №5200256 |
| Groves | Патент США №5364679 |
| Tarry | Патент США №5443917 |
| Neal et al. | Патент США №6035438 |
| Neal | Патент США №6510777 |
| Groves | Патент США №5110661 |
| Groves | Патент США №5087516 |
| Rozner et al. | Регистрационный № изобретения США Н1061 |
Все эти системы имеют различные недостатки, некоторые из которых будут более подробно обсуждаться ниже. Однако один из принципиальных недостатков брони, в которой использованы керамические или стеклянные бусины или бусины из сходного материала, является то, что керамика имеет тенденцию крошиться при ударе, и поэтому в процессе замедления высокоскоростной пули она теряет целостность и способность продолжать принимать участие в процессе снижения скорости.
Другими принципиальными недостатками керамической брони или любой жесткой пластинчатой брони являются ее негибкость (жесткость) и большой вес.
На предшествующем уровне техники в броню часто пытались включить слои, предназначенные для замедления и фактического захвата пули за счет создания поверхностей, которые встречает пуля по мере прохождения ее через броню.
ЗАДАЧА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Поэтому принципиальной задачей настоящего изобретения является создание усовершенствованной брони, которая обладала бы малым весом и высокой гибкостью и которая не разрушалась бы во время ее использования в тех же условиях, что и разрушающаяся керамическая броня, использовавшаяся до сих пор.
Другой задачей настоящего изобретения является создание усовершенствованного бронежилета, который не имел бы недостатков ранее использовавшихся систем.
Также задачей настоящего изобретения является создание усовершенствованной брони, которую можно было бы использовать для различных целей, в зависимости от количества использованных слоев.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Эти и другие задачи, которые станут очевидными из дальнейшего изложения, были решены согласно настоящему изобретению в броне, которая содержит:
- по меньшей мере один слой, разрушающий пули, который содержит баллистическую текстильную ткань с переплетенными нитями и металлические диски, более конкретно титановые диски, через которые проходят нити в точках их пересечения; и
- по меньшей мере, один слой, содержащий баллистические волокна для захвата осколков пуль и расположенный за слоем, разрушающим пули.
Было неожиданно обнаружено, что броня может быть сделана более эффективной не только за счет размещения поглощающих удары поверхностей перед высокоскоростной пулей, проникающей в броню, но и за счет наличия по меньшей мере одного слоя брони, который действует преимущественно на боковые стороны пули во время ее движения через броню, повреждая боковые стороны пули так, что волокна, содержащиеся в броне, легче задерживают пулю и физически разрушают пулю при контакте титановых дисков с боковыми сторонами пули.
Более конкретно, было обнаружено, что, если нанизать титановые диски на нити в точках пересечения утка/основы баллистической ткани с получением ткани, покрытой дисками, эти диски имеют тенденцию сцепляться с боковыми сторонами пули и реально повреждают эти боковые стороны и отклоняют пулю от прямолинейной траектории движения через броню, так что число волокон ткани и дисков, с которыми контактирует пуля, значительно возрастает. Кроме того, диски, состоящие из металлического титана, не являются хрупкими и поэтому не разрушаются при контакте с пулей, так что они сохраняют свою целостность и легко могут захватывать пулю с боковых сторон и разрушать осколки.
Поэтому изобретение заключается в разрушении входящей пули и захвате ее фрагментов, что противоположно затуплению пули, и в размещении шариков или дисков таким образом, что их края обращены к пуле (благодаря тому, что диски нанизаны на нити).
Согласно отличительному признаку изобретения баллистическая ткань состоит из волокон с высоким пределом прочности на растяжение, таких как волокна из арамида, полиэтилена с ультравысоким молекулярным весом или поли-пара-фениленбензо-бис-оксазола (ПБО), причем эти волокна или ткань могут производиться под названием Spectra, GoldFlex, Kevlar, Twaron, Zylon, DYNEEMA и т.п. Титановые диски могут иметь любой размер, который позволяет осуществить их легкое крепление на нитях основы и утка баллистической ткани в местах их пересечения, и было обнаружено, что особенно эффективными являются диски с диаметром 3/32 дюйма и с толщиной 1/32 дюйма. Как правило, диаметр дисков может лежать в диапазоне от 0,1 до 0,5 дюйма, толщина - в диапазоне от 0,01 до 0,025 дюйма, и они могут иметь отверстие, расположенное в центре или не в центре диска, с диаметром от 0,01 до 0,02 дюйма.
Может быть использован любой имеющийся в продаже металлический титан или титановый сплав или другой материал или сплав с высокой прочностью на растяжение, а диски не обязательно должны быть круглыми, а могут иметь неправильные или полигональные наружные края. Броня должна содержать по меньшей мере один слой баллистической ткани с титановыми дисками, хотя в ней могут присутствовать несколько слоев, и слой или слои баллистической ткани с титановыми дисками могут быть переложены одним или более чем одним слоем каркасной баллистической ткани. Диски могут иметь некруглые отверстия или несколько отверстий, через которые могут проходить нити утка и основы.
Если это желательно, диски могут быть прикреплены к нитям в местах их пересечения при помощи клея.
Согласно отличительному признаку изобретения один или несколько слоев баллистической ткани с титановыми дисками и один или несколько слоев каркасной баллистической ткани могут быть заключены в подходящую оболочку из ткани, предпочтительно также из баллистического материала, с получением бронежилета.
Можно использовать от 2 до 25 слоев с дисками согласно настоящему изобретению, предпочтительно от 5 до 20 и еще более предпочтительно от 6 до 15 слоев. Нити, которые могут быть использованы для изготовления ткани, могут иметь толщину от 20 до 1500 денье (децитекс), предпочтительно от 50 до 100 денье. Плотность титановых дисков на слоях ткани с дисками составляет от 10 до 500 дисков на квадратный дюйм, предпочтительно от 50 до 250 дисков на квадратный дюйм и более предпочтительно от 75 до 150 на квадратный дюйм. Плотность нитей может лежать в диапазоне от 5 до 100 нитей на дюйм как для утка, так и для основы.
Посредством варьирования числа слоев с дисками в части, содержащей диски, и/или слоев баллистической ткани в части, содержащей баллистическую ткань, и/или комбинации слоев с дисками и слоев баллистической ткани, и/или типов коммерчески доступных баллистических волокон внутри частей (обычная практика в промышленности, производящей броню) можно добиться различных уровней баллистической защиты. Например, при сочетании 3 слоев ткани с дисками с 5 слоями баллистической ткани может быть достигнута защита от пуль Уровня I согласно спецификации NIJ 0101.04 Министерства юстиции США для полицейских бронежилетов. При сочетании 6 слоев ткани с дисками с 15 слоями GoldFlex может быть достигнута защита Уровня III согласно NIJ 0101.04.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Указанные выше задачи, отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения станут более очевидными из приведенного ниже описания со ссылками на прилагаемые чертежи, где:
фиг.1 - поперечное сечение через броню, на котором схематически изображены ее слои;
фиг.2 - очень схематичный вид сверху слоя брони согласно настоящему изобретению;
фиг.3-6 - четыре изображения титановых дисков, которые могут быть использованы согласно настоящему изобретению;
фиг.7 - поперечный разрез через отверстие, расположенное в центре титановой бусины;
фиг.8 - схематичный разрез композитной брони, содержащей несколько слоев, разрушающих пули согласно настоящему изобретению, слои баллистической ткани и подходящий слой покрытия.
СВЕДЕНИЯ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ ВОЗМОЖНОСТЬ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Хотя в данном описании представлен бронезащитный материал, в котором использована основная ткань, разрушающая пули согласно настоящему изобретению, и его применение в бронежилетах, очевидно, что этот материал можно также использовать в качестве брони для транспортных средств, для укрытий и в качестве брони, устойчивой к пулям любого типа и с любым уровнем защиты при сочетании ее с другими слоями того же материала или с баллистической тканью, или и с тем, и с другим одновременно, и при использовании захватывающих пули и поглощающих энергию слоев согласно предшествующему уровню техники.
Основная конструкция брони согласно настоящему изобретению изображена на фиг.1.
Эта броня (10) содержит покровный материал, представленный тонкими слоями (11 и 12) ткани, между которыми может быть размещено любое количество разрушающих пули слоев (13) с титановыми бусинами совместно с любым количеством слоев баллистической ткани (14) для улавливания и захватывания частиц пули, разрушенной титановыми бусинами.
Титановые бусины, изображенные в виде дисков (15) на фиг.1, нанизаны на уток (16) и основу (17) баллистической ткани, которая может состоять из волокон с высоким пределом прочности при растяжении, таких как арамидные, полиэтиленовые или ПБО нити, в местах их перекрещивания.
Очевидно, что баллистическая ткань (14) может состоять из нитей одного или различных типов нитей, относящихся к группе волокон с высоким пределом прочности при растяжении, таких как арамидные, полиэтиленовые или ПБО волокна, и может быть представлена любым количеством слоев.
Например, два или более слоев дисковой брони могут быть разделены баллистической тканью без дисков, тканью с керамическими шариками согласно предшествующему уровню техники или любыми их комбинациями.
На фиг.2 изображены нити (16) основы и нити (17) утка, в местах перекрещивания которых находятся круглые титановые диски, причем все титановые диски ориентированы в одном направлении и регулярно распределены по точкам перекрещивания нитей.
Если это желательно, к слою, изображенному на фиг.2, могут быть присоединены дополнительные слои с титановыми дисками, имеющими противоположную ориентацию и расположенными в шахматном порядке по отношению к дискам первого слоя. Кроме того, с основой и утком могут быть сплетены диагональные нити (18 и 19), которые могут проходить сквозь титановые диски или огибать их.
В основном титановые бусины имеют диаметр, равный 3/32 дюйма, и толщину, равную 1/32 дюйма +15%. Титановые бусины могут иметь центральные отверстия или отверстия, смещенные от центра, правильные периферические края или неправильные периферические края, или они могут иметь конфигурацию правильных или неправильных многоугольников. Например, на фиг.3 изображен круглый титановый диск (20) с круглым отверстием (21), тогда как на фиг.4 титановая бусина имеет треугольную конфигурацию (22) с круглым отверстием (23). На фиг.5 периферический край диска (24) имеет неправильную форму, а отверстие (25) является круглым, тогда как на фиг.6 изображен диск в форме звездочки (26) с круглым отверстием (27). Лучи звездочки могут быть одинаковыми или, как показано на фиг.6, они могут быть неодинаковыми.
На фиг.7 изображен диск (28) с отверстием (29), края которого закруглены (30), так что этот диск создает меньшую опасность разрезания нити.
На фиг.8 изображена броня (31), которая собрана из нескольких слоев дисковой брони (32, 33), описанной выше, в которой диски (34, 35) в каждом слое ориентированы в разных направлениях и расположены в шахматном порядке по отношению к соседним слоям. Между этими слоями могут быть размещены слои баллистической ткани. Однако по меньшей мере один слой (36) баллистической ткани используется в качестве антирикошетного слоя для захватывания частиц пули, отделенных дисками. Дополнительный слой (37) баллистической ткани также может служить для этой цели, и было обнаружено, что полезно расположить по меньшей мере один дополнительный слой, разрушающий пули, с титановыми дисками (38) сзади от по меньшей мере одного слоя баллистической ткани (37) и еще один слой ткани из баллистических волокон (39) сзади от этого второго слоя. Как описано выше, могут быть использованы также слои покрытия (40 и 41). Стрелка (42) показывает направление, в котором летит пуля.
Титановые диски слоев дисковой брони служат для того, чтобы захватывать и разрушать пулю по мере ее проникновения через слои дисковой брони, а ткань слоев дисковой брони и дополнительные слои баллистической ткани захватывают частицы, на которые разделяется пуля.
В зависимости от числа слоев различного типа могут быть захвачены или остановлены пули любого типа. Например, 155 слоев могут остановить противотанковый снаряд, тогда как 32 слоя дисковой брони и баллистической ткани могут остановить любые пули, выпущенные из ручного огнестрельного оружия, а для того, чтобы остановить низкоскоростные пули, выпущенные из ручного оружия, необходимо всего около 20 слоев.
ОПИСАНИЕ ПРИМЕРОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Конструкция пачки, в которую производили выстрелы, включала 6 слоев толщиной по 18 дюймов ткани с “бусинами”, за которыми на расстоянии 6 дюймов было размещено 15 слоев материала "GoldFlex" производства компании Honeywell. Материал GoldFlex был упакован в “баллистическую” нейлоновую ткань толщиной 1500 денье.
Поэтому с точки зрения защиты пачка, в которую производили выстрелы, содержала 6 слоев ткани с титановыми бусинами, 1 слой баллистического нейлона толщиной 1500 денье, 15 слоев материала GoldFlex и 1 слой баллистического нейлона толщиной 1500 денье.
Шесть слоев ткани с бусинами содержали титановые диски диаметром 0,125 дюймов и толщиной 0,034 дюймов с расположенным в центре отверстием диаметром 0,050 дюймов, нанизанные на арамидную нить толщиной 180 денье, использованную как в качестве основы, так и в качестве утка. На каждый квадратный дюйм материала приходилось примерно 100 дисков (10 на 10). Суммарная толщина 6 слоев была равна примерно 0,400 дюймов.
Как баллистическая нейлоновая ткань, так и ткань GoldFlex имеются в продаже. Общая толщина GoldFlex была равна примерно 0,300 дюймов. Нейлон добавлял еще 0,100 дюймов. GoldFlex и нейлон совместно имели “плотность”, равную 0,96 фунтов на квадратный фут.
Общий вес пачки, в которую производили выстрелы (ткань с бусинами, GoldFlex и нейлон), был равен 5,1 фунта, что дает плотность, равную 2,7 фунтов на квадратный фут.
Затем пачку, в которую производили выстрелы, подвешивали на деревянную раму на расстоянии 16 футов от ствола винтовки калибра 0,308 вне помещения в средний день раннего лета (примерно 70°F, относительная влажность воздуха 70%). Затем на расстоянии 6 дюймов сзади от участка GoldFlex/нейлон помещали контрольную пластину из алюминия 6061-Т6 толщиной 0,020 дюймов. Винтовку устанавливали на мешках с песком, размещенных на подставке из бетона. Затем в броню стреляли имеющейся в продаже пулей для винчестера American Eagle 0.308 FMJ весом 150 гран с тупым задним концом с номинальной (но не измеренной) скоростью 2820 футов/с, и эта пуля полностью захватывалась участком пачки, состоящим из 12 слоев GoldFlex.
He происходило деформации алюминиевой пластины или проникновения в нее пули.
Эта методика испытания сходна с методикой, описанной в спецификации NIJ 0108.01 Министерства юстиции США для испытания броневых материалов с уровнем защиты III, за исключением того, что скорости пуль не были измерены с помощью хронографа. Кроме того, испытание согласно NIJ 0108.01 идентично испытанию согласно NIJ 0101.04, за исключением того, что отсутствовало измерение тупой травмы с использованием баллистической глины. Однако, так как не было удара об алюминиевую контрольную пластину в испытании, аналогичном испытанию по NIJ 0108.01, по-видимому, была достигнута защита от тупой травмы Уровня III согласно NIJ 0101.04.
Хотя предпочтительно использовать титановые бусины или диски, как уже было отмечено, вместо этих бусин или дисков или в дополнение к ним можно использовать другие высокопрочные материалы. Более конкретно, можно использовать сплав/компаунд Vascomax, например Vascomax С-300 (0,1% Al, 0,02% Cr, 8,8% С, 0,05% Mn, 4,8% Мо, 18,5% Ni, 0,005% P, 0,005% S, 0,05% Si и 0,73% Ti, остальное Fe), сплав инконель (NiCrFe), сталь или алюминий с твердым анодированным покрытием (например алюминий 6061-Т6 с твердым покрытием).
Ткань может, кроме вышеназванных нитей и волокон, содержать любые волокна или проволоку с достаточным пределом прочности на растяжение, в том числе металлические нити и скрытые нити, например нити, изготовленные из натурального шелка и т.п.
Кроме того, поскольку при нанизывании дисков на нить края дисков или бусин автоматически направлены к пуле, диски можно альтернативно или дополнительно закреплять посредством приклеивания или пришивания их к ткани.
1. Броня, содержащая разрушающую пули структуру из, по меньшей мере, одного разрушающего пули слоя, состоящего из баллистически стойкой ткани с перекрещенными нитями основы и утка и расположенных в точках перекрещивания нитей металлических дисков, устойчивых к разрушению при ударе пули и пронизанных, по меньшей мере, одной из нитей основы или утка, причем диски ориентированы своими краями к боковой поверхности пули, проникающей в слой, разрушающий пули, и расположенный за разрушающей пули структурой, по меньшей мере, один слой, содержащий баллистически стойкие волокна для захватывания осколков пули.
2. Броня по п.1, в которой нити баллистически стойкой ткани представляют собой волокна, устойчивые к разрушению при ударе пули, и выбранные из группы, состоящей из арамидных, полиэтиленовых или поли-пара-фениленбензо-бис-оксазоловых волокон.
3. Броня по п.2, в которой нити баллистически стойкой ткани имеют толщину в диапазоне от 19 до 1500 децитекс.
4. Броня по п.3, в которой баллистически стойкая ткань имеет плотность нитей в диапазоне от 5 до 100 нитей на дюйм.
5. Броня по п.1, которая содержит несколько разрушающих пули слоев и несколько слоев, содержащих баллистически стойкие волокна для захватывания осколков пули, размещенных в оболочке из баллистически стойкой ткани, для использования в бронежилете.
6. Броня по п.1, в которой металлические диски выполнены из титана, титанового сплава или другого ковкого металла или сплава с высоким пределом прочности на растяжение, например сплава Vascomax, сплава инконель, стали или алюминия с анодированным покрытием.
7. Броня по п.6, в которой металлические диски выполнены круглыми.
8. Броня по п.6, в которой металлические диски выполнены с неправильными или полигональными контурами.
9. Броня по п.1, в которой в качестве баллистически стойких волокон использованы волокна, устойчивые к разрушению при ударе пули и выбранные из группы: арамидные, полиэтиленовые или поли-пара-фениленбензо-бис-оксазоловые волокна.
10. Разрушающий пули слой для использования в броне, состоящий из баллистически стойкой ткани с перекрещенными нитями основы и утка и прикрепленных, по меньшей мере, в некоторых из перекрестий нитей баллистически стойкой ткани металлических дисков, устойчивых к разрушению при ударе пули и пронизанных в перекрестиях, по меньшей мере, одной из нитей основы или утка, причем металлические диски выполнены из металла, способного разрушать пулю, проникшую в разрушающий пули слой, и ориентированы своими краями к боковой поверхности пули.
11. Слой по п.10, в котром металлические диски выполнены из титана, титанового сплава или другого ковкого металла, или сплава с высоким пределом прочности на растяжение, например сплава Vascomax, сплава инконель, стали или алюминия с анодированным покрытием.
12. Слой по п.11, в котором баллистически стойкая ткань состоит, по меньшей мере, из одного вида нитей, спряденных из волокна, устойчивого к разрушению при ударе пули, и выбранного из группы, состоящей из арамидных, полиэтиленовых или поли-пара-фениленбензо-бис-оксазоловых волокон.
13. Слой по п.12, в котором металлические диски расположены с плотностью от 10 до 500 штук на квадратный дюйм.
14. Слой по п.13, в котором баллистически стойкая ткань имеет плотность нитей утка и основы в диапазоне от 5 до 100 нитей на дюйм.
15. Слой по п.14, в котором нити баллистически стойкой ткани имеют толщину от 10 до 1500 децитекс.
16. Разрушающая пули структура для брони, состоящая из нескольких слоев по п.10.
17. Структура по п.16, которая содержит от 2 до 155 слоев.
18. Разрушающая пули структура для брони, содержащая, по меньшей мере, один разрушающий пули слой, состоящий из баллистически стойкой ткани с перекрещенными нитями основы и утка, выполненной с возможностью захвата фрагментов разрушенной пули, и бусин, расположенных в точках перекрещивания нитей с возможностью контакта с боковой поверхностью проникающей в слой пули, устойчивых к разрушению при ударе пули и пронизанных, по меньшей мере, одной из нитей основы или утка.
19. Структура по п.18, в которой бусины выполнены в виде дисков.
