Індивідуальна захисне екіпірування бійця на полі бою використовується вже не одну тисячу років і її компоненти добре відомі історикам і археологам, вивчені до найменших подробиць. Споконвіку найважливішою частиною бойової захисту вважається бронешлем (БШ). Конструкція і геометрична форма БШ змінювалася з часом в залежності від постійного вдосконалення зброї та засобів ураження, від яких треба було захистити людину.

Однак, матеріал, з якого виготовляли корпус БШ - його головну конструктивну частину, практично не змінювався протягом багатьох століть. Цим матеріалом був гомогенний тонкий листовий метал - спочатку мідь і бронза, потім залізо і сталь. До початку 80-х років XX століття тільки сталеві БШ використовувалися у всіх арміях світу. У цій статті спеціально для ІА «Зброя Росії» співробітники НДІ «Сталі» Д.Купрюнін, А.Егоров і Е.Чістяков розглядають деякі аспекти, які стосуються сучасних матеріалів і конструкцій БШ.

Найголовніше завдання БШ, сформульована військовими провідних світових держав, полягає в захисті голови бійця від наймасовішого на поле бою фактора ураження - осколків природного дроблення осколково-фугасних снарядів, мін і гранат, а також захисту черепа від ударних навантажень.

В середині XX століття, коли були проаналізовані результати 1-й і 2-й світових воєн і наступних локальних конфліктів (в Кореї і В'єтнамі), стало очевидно, що сталевий гомогенний БШ не може забезпечити захист голови бійця від найбільш масової частини спектра осколкового потоку поразки на сучасному полі бою. Рівень його протівоосколочной стійкості (ПОС) був дуже низький і не перевищував V50% = 300-350 м / с для осколка масою 1 г (50% -ва ймовірність непробиття корпусу БШ).

Треба сказати, що зробити захист з більш високою ПОС можна тільки за рахунок збільшення товщини корпусу БШ, що відразу «приведе» до істотного збільшення переносної на голові маси. Так, наприклад, щоб підняти ПОС сталевого БШ з V50% = 300 м / с до V5o% = 600 м / с треба майже подвоїти товщину корпуса з 1,6 мм до 2,5 мм, що при фізичному щільності стали рст = 7, 85 г / см3 призведе до збільшення маси корпусу БШ з 1500 г до 2350 р

Це неприпустимо, тому що існують медико-технічні обмеження по величині допустимої переносної маси Бронешоломи , Які наказують максимальна межа для загальновійськового БШ в 1600г. Таке обмеження зумовлене тим, що дослідно-експериментальним шляхом медиками була визначена можливість отримання важкої травми шийного ділянки хребта людиною при перевищенні переносної розподіленої маси БШ на голові понад 1600 р

Таким чином, на рубежі 60-х - 70-х р.р. XX століття з'явилася задача створення нізкоплотний полімерних матеріалів, що володіють порівнянним з високоміцної сталлю межею міцності, які прийшли б на заміну сталевому листового прокату в виробництво БШ і дозволили б значно підвищити ПОС корпусу без збільшення його маси.

Крім того, полімерні матеріали, зважаючи на свої фізико-механічних властивостей, краще поглинають і розсіюють ударно-хвильову енергію взаємодії засоби ураження із захисною структурою перепони, ніж гомогенна високовуглецева сталь.

Підрозділи десантників в пластикових БШ

Такий матеріал був вперше розроблений американською фірмою «Dupont» і був названий «параарамідним волокном», які мали межу міцності такий же, як у конструкційної сталі, а фізичну щільність Рар = 1,43 г / см3, що більш ніж в 5 разів легше стали. З параарамідного волокна зробили нитка лінійної щільності 110 текс. (Маса нитки в грамах на 1000 м довжини), яка отримала торгову марку «Kevlar®29», і виткали полотно питомою масою 255 г / м2.

З цієї тканини була виготовлена ​​квазигомогенную багатошарова тканинної-полімерна структура, яка в еквівалентній масі з гомогенної монолітної сталлю показала удвічі вищу ПОС і істотно менший динамічний прогин композиції при взаємодії з імітатором стандартного осколка і пістолетної кулею 9 мм калібру.

Перший в світі тканинної-полімерний шолом з'явився в США. Його розробила Натікская науково-дослідна лабораторія Армії США в кінці 1970-х років. На початку 1980-х років він був прийнятий на озброєння сухопутних військ. Шолом отримав назву Personnel Armor System, Ground Troops (PASGT). Він був виконаний з тканини на основі волокна Kevlar®29 і сполучного - фенольной або PVB смоли.

Маса БШ становила 1,4 (3,1 фунта) - 1,9 кг (4,2 фунта), він мав 5 типорозмірів - XS, S, M, L, XL. Рівень ПОС шолома визначався військовим стандартом MIL-STD-662E, поліцейським NIJ 0106 і становив V50% = 600 м / с по стандартному уламку STANAG 2920, що приблизно відповідає рівню в V50% = 570 ... 580 м / с по сталевому кульці масою 1, 03 г, яким випробовуються всі російські шоломи. Протиударні характеристики регламентовані стандартом MIL-H44099A.

Технологія виготовлення цих шоломів досить проста. Тканина, просочену полімерним сполучною, простіше кажучи, смолою, укладають в декілька шарів в форму. Отриману заготівлю пресують при певній температурі, сполучна полимеризуется, твердне. Від пресованої оболонки обрізають облой, встановлюють подтулейное пристрій - шолом готовий.

Так як тканина, просочену смолою, називають «Препреги», то і технологія виготовлення шоломів отримала назву «препреговой». Основна перевага цієї технології - простота і мала залежність кінцевого результату від точності дотримання режимів пресування. Тому досить швидко шоломи, аналогічні PASGT, почали випускатися в багатьох країнах.

За 30 років зроблено кілька мільйонів штук шоломів типу PASGT, він прийнятий в якості основного в НАТО і до сих пір використовується Армією США. В арміях багатьох країн по всьому світу використовується або цей шолом або його аналоги. Кількість фірм-виробників шоломів типу PASGT перевалило за кілька сотень. Відповідно і розкид характеристик цих шоломів, як по масовим, так і по захисним характеристикам досить великий.

«Рідна» армійська кевларовая каска армії США

Хоча в цілому шолом задовольняв вимогам військових, роботи щодо його вдосконалення були розпочаті вже в кінці 90-х років. Роботи ці були ініційовані початком реалізації в багатьох країнах світу програм по оснащенню бійця майбутнього століття. Цими програмами боєць і його екіпірування розглядаються як єдина система, яка, взаємодіючи з іншими системами, повинна максимально ефективно виконувати бойове завдання.

Засоби захисту, і шолом зокрема, приймаються програмою як елемент, який крім виконання захисних функцій повинен комплексіроваться з іншими елементами системи. Практично всі програми «Боєць майбутнього» розглядають шолом як платформу для установки приладів нічного бачення, зв'язку, навігації, дисплеїв для самоконтролю та інформаційних функцій, що неминуче призводить до збільшення маси, навантажувальної голову.

Тому ще в 1996 році МО США була висунута дворічна програма SEP (Soldier Enhancement Program - Програма підвищення бойових можливостей солдата), в рамках якої повинна була бути розроблена і випробувана каска з більш легкої основою. В якості мети було поставлено завдання знизити вагу шолома на 25%.

Однак реалізувати ці цілі закордонним розробникам вдається з великими труднощами. Основна причина криється саме в створеній і експлуатованої ними технології. Вже давно стало ясно, що балістична тканину найбільш ефективно працює, коли її окремі нитки мають можливість при пружною деформації розтягуватися, досягаючи межі текучості, що відбувається при максимальних навантаженнях на матеріал.

Тканина сама по собі вже обмежує еластичність ниток і від типу плетіння стійкість тканини може істотно змінюватися. Якщо ж тканину просочити змочувальним клейовим складом і перетворити в жорсткий композит, то балістичні характеристики такого композиту будуть гірше, ніж у еквівалентного за масою нічим не пов'язаного тканинного пакета.

Проте, застосовуючи нові, більш ефективні, ніж Kevlar®29 матеріали, закордонним розробникам вдалося на 10-15% знизити і масу шолома і підняти його ПОС. Так, застосування нового удосконаленого арамідного волокна «Kevlar®KM2» і виготовлення з нього ниток нижчою лінійної щільності (44 текс, 67 текс.) Дозволило знизити вагу шолома на 8-10%.

Подальші дослідження щодо зниження ваги привели до розробки і прийняття на озброєння армії США в 2002 році нової, також арамідна, каски АСН (Advanced Combat Helmet), що має ще меншу вагу. Правда, зниження ваги забезпечувалося, в основному, зменшенням на 8% площі захисту, але розробникам вдалося збільшити на 6% її ПОС.

Посилено працює над проблемою зниження маси шолома і колишній розробник шолома PASGT- дослідна лабораторія NATICK. Так, в даний час вона досліджує два нових матеріалу, які можуть вирішити проблему зниження ваги. Один з них - відомий матеріал «Zyion». Використовуючи цей матеріал, фірмі вдалося отримати шолом масою всього в 800 грам (1,79 фунт).

Однак, цей матеріал виявився нестійким до дії сонячного світла, води і тому непридатним для використання в шоломах. Зараз фірма досліджує новий матеріал на основі волокна М5, розробленого фірмою Magellan Systems Int. Розрахунки показують, що при тому ж рівні захисту використання матеріалу М5 дозволить зменшити масу шолома на 35%. Однак, поки американський солдат воює в шоломі, маса якого не менше 1,3-1,5 кг, а ПОС не перевищує 680-700 м / с по STANAG-2920.

Російська піхота в тканинної-полімерному БШ

Росія значно пізніше багатьох зарубіжних країн почала думати про заміну сталевий каски CLU-68 на тканинної-полімерну, хоча роботи по створенню такої каски почалися в НДІ Сталі в ініціативному порядку ще з середини 80-х років. Розробники інституту почали освоювати принципово іншу технологію - технологію термопластичного пресування квазигомогенную багатошарових плівкових структур, або - як її часто зараз називають - «плівкову» технологію.

Суть її проста - шари балістичної тканини прокладаються тонкої термопластичной плівкою. Потім пакет закладається в пресформ, нагрівається, пресується і охолоджується. Плівка розплавляється і з'єднує шари тканини. Після охолодження виходить жорстка гомогенна оболонка корпусу шолома. За розрахунками розробників плівка, розм'якшуючись, що не змочує нитки тканини, залишаючи їм практично повну свободу граничної пружної деформації, а значить, стійкість такої композиції повинна бути вище, ніж у еквівалентного за масою препреги.

Практика показала, що розрахунок був вірний. Правда, щоб прийти до бажаного результату інституту було потрібно майже 10 років. Саме стільки йшло відпрацювання промислової високопродуктивної технології одержання шоломів необхідної якості. Зате у розробників з'явилася широке поле для оптимізації композиції. Варіюючи набором тканин в лицьових і тильних шарах, міняючи товщину і матеріал плівкового сполучного можна було підібрати найбільш оптимальний варіант для заданих умов.

У 1999 році перший серійний шолом, вироблений в НДІ Сталі під індексом «6Б7», вступив в збройні сили російської армії. За своїми характеристиками він відразу ж перевершив свій закордонний аналог: маса - не більше 1,3-1,35 кг, протиосколочна стійкість -560 м / с, що відповідає 600-610 м / с по STANAG.

Загальновійськовий штурмовий шолом 6Б27 ВС Росії

До 2005 року НДІ стали розробив і здав на озброєння ще 3 моделі шоломів - 6Б26, 6Б27 і 6Б28. Всі вони були і до сих пір є рекордсменами по масі і стійкості. Оптимізуючи склад пакета, НДІ Сталі вдалося створити шолом масою не більше 1,1 кг з ПОС вище 700 м / с (по STANAG - 730-740 м / с), причому не в дослідному екземплярі, а в серійному виробництві. Це прототип конструкції загальновійськового БШ 2-го покоління.

Природно, настільки високі характеристики шолома були досягнуті відповідної ціною. Так, жорсткі вимоги пред'являються до якості використовуваної балістичної тканини, найменше відхилення від паспортних характеристик відправляє тканину в шлюб. Технологія допускає використання в пакетах тільки цілісних шматків, тоді як в препреговой технології можна використовувати пакети, набрані з шматків балістичної тканини.

Це призводить до збільшення витрати дорогої тканини і, відповідно, вартості кінцевого продукту. Сам процес пресування теж вимагає більшого часу, ніж в препреговой технології, оскільки контрольований нагрів заготовки і її охолодження відбуваються безпосередньо в пресової оснащенні. Правда своїми останніми роботами розробники НДІ Сталі показали, що резерви в оптимізації цієї технології є і вони не малі.

Знайдено рішення щодо скорочення циклу нагріву і охолодження заготовки. Не слід забувати ще ряд важливих моментів. Оскільки плівкова технологія не використовує шкідливих смол, вона на порядок екологічно чистіше, що проявляється як у виробництві, так і при експлуатації шолома. Та й для організації крупносерійного виробництва плівкова технологія прогресивніше препреговой, оскільки дозволяє автоматизувати процес складання тканинної-полімерних пакетів для пресування, тоді як в препреговой технології ця операція виконується вручну.

Слідуючи з вищесказаного, і зарубіжна, і вітчизняна конструкція тканинної-полімерного БШ використовують в якості захисної структури багатошарову квазигомогенную композицію на основі високоміцної арамідна тканини і полімерного термореактивного або термопластичного сполучного, яке скріплює шари тканини по всій товщині структури і змушує працювати корпус БШ як суцільну міцну пружну оболонку - «полімерну броню».

Боєць Сухопутних військ в БШ з коротким ремінцем

Дуже важливо відзначити той факт, що суцільна гомогенна оболонка корпусу дозволяє оптимально використовувати фізико-механічні властивості матеріалів структури, а саме: розсіювати ударну хвилю, утворену імпульсом проникаючого високошвидкісного засоби ураження, і формується їй хвилю пружною деформації композитного матеріалу, забезпечуючи допустимі значення величини динамічного прогину оболонки.

Величина динамічного прогину оболонки корпусу БШ при непробиття захисної структури є визначальним фактором запреградного контузійної впливу на голову людини. Тому максимально допустима величина динамічного прогину оболонки завжди визначається в ході державних випробувань зразків БШ за допомогою рентгеноімпульсной установки в реальному масштабі часу.

Крім технології плівкового термопласта, використовуваної для створення гомогенних суцільних оболонок корпусів БШ, в Росії була розроблена «змішана» технологія, яка включає елементи препреговой технології в поєднанні з «сухими» шаруватими тканинними арамідними пакетами. При цьому зовнішні тканинні шари захисної структури просочуються полімерним термореактивним сполучною, а внутрішні шари залишаються сухими.

Така структура отримала назву від своїх розробників (ЗАТ ЦВМ «Армок») - «дискретно тканинна структура» (ДТЗ). Починаючи з 2000 р. російські ЗС замовляють тканинної-полімерні БШ, що виготовляються і за плівковою технологією і за технологією ДТС приблизно в однакових кількостях. Тільки в 2010 - 2011 рр. їх було вироблено і поставлено в армію близько 70 000 шт. Причому, бойові захисні та експлуатаційні характеристики гомогенного і дискретно-тканинного БШ абсолютно однакові, ціна обох зразків єдина.

У чому ж відмінність? А відмінність БШ якраз і криється в складі структури полімерної захисної композиції, одержуваної в результаті альтернативних технологічних процесів пресування оболонок корпусу. У разі використання плівкового термопласта, як вже було зазначено, виходить гомогенна суцільна структура оболонки і процес взаємодії засоби ураження з такою перешкодою в загальному лежить в площині класичної теорії міцності і пружності матеріалів.

Корпус БШ, отриманий за технологією ДТЗ, має виражену гетерогенную структуру до складу якої входять дві зовнішні щодо тверді і тонкі оболонки, що додають жорсткість всієї конструкції, і сухий шаруватий пакет арамідна тканини, розташований між оболонками. Така структура називається «рознесеною», тому що більше високощільні шари знаходяться на відстані один від одного, а між ними розташовується нізкоплотний матеріал.

Рознесена схема захисної структури має свої переваги. Наприклад, більш ефективне поглинання і розсіювання ударної хвилі за рахунок наявності кордонів розділу між разноплотнимі шарами матеріалів композиції. Але ця перевага досягається більшою товщиною комбінованого корпусу БШ з ДТС - до 15 мм, в той час, як товщина гомогенного плівкового корпусу в наймасивнішою подтулейной зоні не перевищує 8 мм.

Боєць в Бронешоломи проходить смугу перешкод

Але крім цього переваги більше ніяких захисних вигод технологія ДТЗ не дає, не кажучи вже про відносно низьку продуктивність виготовлення таких конструкцій, перш за все, за рахунок великої частки ручної праці, що застосовується при складанні тканинного пакета. Разом з тим, ДТС має один істотний недолік - занадто малу товщину жорстко-пружної внутрішньої оболонки корпусу БШ, завдання якої полягає в тому, щоб за рахунок поглинання енергії пружної деформації сухого тканинного пакета скоротити величину динамічного прогину полімерної композиції.

Альо того что сухий тканинний пакет не пов'язаний з тонким пружним підприєм з препреги, то і вся енергія пружної деформації пакета доводиться на локальну зону ураження тонкої препреговой оболонки, а не розподіляється рівномірно пошарово по всій товщині структури, як у гомогенного тканинної-полімерного корпусу. В цьому випадку, якщо в еквівалентних умовах порівнювати значення динамічного прогину двох технологічно різних БШ - гомогенного і ДТС, то виявляється що для ДТЗ величина динамічного прогину більше, ніж у гомогенного плівкового термопласта.

Питання: «яка з технологій більш краща і прогресивна?» Знаходиться в компетенції Замовника, який на етапі державних випробувань детально визначив все ТТХ обох БШ, кожного окремо, і допустив в серійне виробництво обидва зразки. Поки йде серійне виробництво тканинної-полімерних БШ першого покоління можна було б і не звертати увагу на технологічних аспектах виробництва різних зразків, тим більше, що виробництво ведеться по діючої робочої конструкторської документації літери «О1», затвердженої Замовником,

Однак, при створенні бойової екіпіровки 2-го покоління, Замовник висунув вимогу про розробку єдиної конструкції, а значить і захисної структури, загальновійськового БШ. Стає злободенним «відкладений» Замовником питання - «Яка структура полімерної захисної композиції відповідає сучасним вимогам по протівоосколочной і противопульной стійкість в максимальному ступені? Яка структура забезпечує найбільш прийнятні значення запреградного контузійної впливу? ».

Цілком очевидно, що відповідь на це питання Замовник може отримати тільки після комплексних порівняльних випробувань різних БШ, в тому числі і зарубіжного виробництва, в першу чергу медико-біологічних досліджень результатів динамічного впливу засобів ураження на корпус БШ і голову людини. Чи не відповівши на це питання, не можна буде прийняти вивіреного і обгрунтованого рішення в області бойової екіпіровки на тривалу перспективу.

/ Д.Купрюнін, А.Егоров, Е.Чістяков, arms-expo.ru /