Доспехи бога: технологии для перспективных средств индивидуальной бронезащиты.

Гоплит 21.12.2019 6

В избранноеВ избранномRemoved 4

Важнейшей задачей, решаемой разрабатываемым в рамках американской программы NGSW перспективным стрелковым оружием, должно стать обеспечение гарантированного пробития современных и перспективных бронежилетов, разрабатываемых в ведущих оружейных лабораториях мира. Прежде чем возвращаться к проблеме разработки «меча», перспективного стрелкового оружия, способного эффективно противостоять американскому оружию, разработанному в рамках программы NGSW, целесообразно будет поближе познакомится со «щитом» – технологиями для создания перспективных средств индивидуальной бронезащиты (СИБ).

Существует мнение, что проблема непробиваемости СИБ является надуманной, поскольку при попадании пули в противника он либо будет настолько травмирован, что не сможет дальше активно вести боевые действия, либо попадание придётся в незащищённую бронеэлементами часть тела. Судя по программе NGSW, ВС США данную проблему надуманной не считают. Проблема в том, что темпы совершенствования перспективных СИБ в настоящее время существенно опережают темпы совершенствования стрелкового оружия. И ВС США как раз пытаются совершить прорыв в направлении радикального совершенствования характеристик стрелкового оружия, вопрос в том, получится ли у них это?

Существует два основных пути повышения бронепробиваемости боеприпаса – повышение его кинетической энергии и оптимизация формы и материала боеприпаса/сердечника боеприпаса (разумеется, речь не идёт о разрывных, кумулятивных или отравленных боеприпасах). И здесь мы фактически упираемся в определённый предел. Пуля или сердечник для неё изготавливаются из керамических сплавов высокой твёрдости и достаточно высокой плотности (для повышения массы), твёрже и прочнее сделать их можно, плотнее вряд ли. Повышение массы пули путём увеличения её габаритов также практически невозможно в приемлемых габаритах ручного стрелкового оружия. Остаётся повышение скорости пули, например, до гиперзвуковой, но и в этом случае разработчики сталкиваются с огромными трудностями, в виде отсутствия необходимых порохов, крайне быстрого износа ствола и высокой отдачи, действующей на стрелка. Тем временем совершенствование СИБ идёт куда интенсивнее.
Материалы
С момента своего появления средства индивидуальной бронезащиты проделали огромный путь от стальных кирас и пластин до современных бронежилетов из арамидной ткани со вставками из сверхвысокомолекулярного полиэтилена высокой плотности (СВМПЭ) и карбида бора.

Стальной нагрудник бойцов армии СССР – предвестник бронежилетов

Бронежилет 6Б45 военнослужащих армии РФ с бронеплитой «Гранит 5а» из карбида бора
Совершенствование СИБ идёт в направлениях поиска новых материалов, создания композитных и металлокерамических бронеэлементов, оптимизации формы и структуры элементов СИБ, в том числе на микро- и наноуровне, что позволит эффективно рассеивать энергию пуль и осколков. Прорабатываются и более экзотические решения, такие как «жидкая броня» на основе неньютоновских жидкостей.

Наиболее очевидным путём является совершенствование традиционных конструкций бронежилетов за счёт их усиления вставками из перспективных композитных и керамических материалов. В настоящий момент большая часть СИБ укомплектована вставками из термоупрочнённой стали, титана или карбида кремния, но постепенно идёт замена на бронеэлементы из карбида бора, обладающие меньшей массой и существенно большей стойкостью.

Бронеэлементы из карбида кремния компании ВИРИАЛ

Бронеэлементы из карбида бора производства НЭВЗ-КЕРАМИКС

Структура
Другим направлением совершенствования СИБ является поиск оптимальной структуры размещения бронеэлементов, которые с одной стороны должны прикрывать максимальную площадь поверхности тела бойца, а с другой стороны не сковывать его движения. В качестве примера, пусть не совсем удачной, но интересной разработки, можно привести бронежилет «Шкура дракона» (Dragon Skin), разработанный и производимый американской фирмой Pinnacle Armor. В бронежилете «Шкура дракона» реализовано чешуйчатое расположение бронеэлементов.

Бронежилет «Шкура дракона» компании Pinnacle Armor
Скреплённые диски из карбида кремния диаметром 50 мм и толщиной 6,4 мм обеспечивают удобство ношения данного СИБ за счёт определённой гибкости конструкции и одновременно достаточно большую площадь защищаемой поверхности. Также данная конструкция обеспечивает устойчивость к многократным попаданиям пуль, выпущенных из стрелкового оружия с ближнего расстояния – «Шкура дракона» выдерживает до 40 попаданий из пистолета-пулемёта Heckler & Koch MP5, винтовки M16 или автомата Калашникова (вопрос только, сколько из чего и каким патроном?).

Недостатком бронежилетов «чешуйчатой» схемы расположения бронеэлементов является практически полное отсутствие защиты бойца от запреградной травмы, что приводит к тяжким ранениям или смерти военнослужащих даже без пробития СИБ, вследствие чего бронежилеты данного типа не прошли испытания армии США. Тем не менее они используются некоторыми спецподразделениями и специальными службами США.

Аналогичная «чешуйчатая» схема была реализована в предназначенном для экстремальной защиты от холодного оружия советском бронежилете ЖЗЛ-74, в котором использовались бронеэлементы-диски диаметром 50 мм, толщиной 2 мм из алюминиевого сплава АБТ-101.

Бронежилет ЖЗЛ-74
Несмотря на недостатки СИБ «Шкура дракона», чешуйчатое расположение бронеэлементов может быть применено в комбинации с другими типами бронезащиты и амортизирующих элементов для уменьшения запреградного воздействия пуль и осколков.

Учёные из американского Университета Райса разработали необычную структуру, которая позволяет объекту более эффективно поглощать кинетическую энергию, чем монолитный объект из того же сырья. Основой для научной работы стало изучение свойств сплетений углеродных нанотрубок, обладающих сверхвысокой плотностью за счёт особого расположения нитей, с полостями на атомном уровне, что позволяет им с высокой эффективностью поглощают энергию при столкновении с другими объектами. Поскольку полностью воспроизвести такую структуру на наноуровне в промышленных масштабах пока не представляется возможным, было принято решение повторить такую структуру в макроразмерах. Исследователи использовали полимерные нити, которые можно распечатать на 3D-принтере, но расположили их по той-же системе, что и нанотрубки, и в итоге получили кубики с высокой прочностью и сжимаемостью.

Материал, свойства которого более определены структурой, чем материалом, может стать перспективным направлением совершенствования СИБ
Чтобы проверить эффективность структуры, учёные создали второй объект из того же материала, но монолитный, и в каждый из них запустили по пуле. В первом случае пуля остановилась уже на втором слое, а во втором прошла гораздо глубже и нанесла урон всему кубу – он остался целым, но покрылся трещинами. Пластиковый куб с особой структурой также поставили под пресс, чтобы протестировать его прочность под давлением. Во время эксперимента объект сжался как минимум в два раза, но его целостность не нарушилась.

Деформация куба из полимерных нитей

Пенометалл
Говоря о материалах, свойства которых во многом определяются структурой, нельзя не упомянуть о разработках в области пенометалла – металлической или композитной металлической пены. Пенометалл может быть создан на основе алюминия, стали, титана, других металлов или их сплавов.

Образец пенометалла
Специалисты Университета Северной Каролины (США) разработали стальной пенометалл со стальной же матрицей, заключив его между верхним керамическим слоем и тонким нижним слоем алюминия. Пенометалл толщиной менее 2,5 см останавливает бронебойные пули калибра 7,62 мм, после которых на задней поверхности остается лунка менее 8 мм.

Попадание пули в блок из пенометалла (в подписи к ролику написано про пулю калибра 12,7 мм, но в ряде других источников указано 7,62 мм)
Кроме всего прочего, пенометаллическая пластина эффективно снижает воздействие рентгеновского, гамма- и нейтронного излучения, а также защищает от огня и тепла вдвое лучше обычного металла.

Другой материал с полой структурой – сверхлёгкая форма пенометалла, создан компанией HRL Laboratories совместно с Boeing. Новый материал в сто раз легче пенопласта – он на 99,99% состоит из воздуха, но обладает крайне высокой жёсткостью. По утверждению разработчиков, если этим материалом покрыть яйцо, и оно упадёт с высоты 25-ти этажей, то не разобьётся. Полученный пенометалл настолько лёгок, что может лежать на одуванчике.

Перспективный материал компаний HRL Laboratories и Boeing
В прототипе используются полые никелевые трубки, соединённые между собой, структура расположения которых похожа на структуру человеческих костей, что позволяет материалу поглощать много энергии. Толщина стенки каждой трубки составляет порядка 100 нанометров. Вместо никеля в перспективе могут применяться другие металлы и сплавы.

Презентация пенометалла компаний HRL Laboratories и Boeing
Данный материал или его аналог, как и вышеупомянутый структурированный полимерный материал, могут быть рассмотрены для применения в перспективных СИБ в качестве элементов лёгкого и прочного амортизирующего подпора, предназначенного для минимизации повреждений, наносимых организму запреградным воздействием пуль.
Нанотехнологии
В России слово «нанотехнологии» изрядно дискредитировано политиками и СМИ, поминающими его к месту и не к месту, в результате чего оно уже больше ассоциируется с коррупцией, чем с наукой. В тоже время нанотехнологии, манипуляция объектами на атомном и молекулярном уровне, создание веществ с заданной структурой, способны совершить переворот в промышленности и технологиях, равного которому не было в истории человечества. Интересующимся можно порекомендовать книгу «Машины созидания» одного из основоположников нанотехнологий Эрика Дрекслера.

Одним из самых перспективных материалов, которому прочат широкое применение в различных отраслях промышленности XXI века, является графен – двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом. Испанские специалисты разрабатывают бронежилет, в основе которого лежит графен. Разработки графеновой брони стартовали в начале двухтысячных годов. Результаты исследований признаны многообещающими, в сентябре 2018 года разработчики перешли к практическим испытаниям. Проект финансируется Европейским оборонным агентством и продолжаются в настоящее время, в работе участвуют специалисты британской компании Cambridge Nanomaterials Technology.

Двумерный углерод против пуль
Аналогичные работы ведутся в США, в частности Университетом Райса и Университетом Нью-Йорка, где проводились эксперименты по обстрелу листов графена твёрдыми предметами. Бронеэлементы из графена предположительно будут значительно прочнее кевларовых и будут комбинироваться с керамической бронёй для получения наилучшего результата. Наибольшую сложность представляет производство графена в промышленных количествах. Однако, учитывая потенциал этого материала в разных отраслях промышленности, можно не сомневаться, что решение будет найдено. По инсайдерской информации, появившейся на страницах профильных СМИ в декабре 2019 года, компания Huawei планирует в начале 2020 года выпустить на рынок смартфон P40 с графеновым аккумулятором (с графеновыми электродами), что может говорить о существенных подвижках в области промышленного производства графена.

В конце 2007 года израильские создали создали самовосстанавливающийся материал на основе наночастиц дисульфида вольфрама (соль металла вольфрама и сероводородной кислоты). Наночастицы дисульфида вольфрама представляют собой слоистое фуллерено-подобное или нанотубулярное образование. Нанотубулены обладают рекордными механическими характеристиками, принципиально недостижимыми для других материалов, удивительной гибкостью и прочностью, находящейся на грани прочности ковалентных химических связей.

Электронно-микроскопическое изображение и модель строения многостенной нанотрубки дисульфидов молибдена и вольфрама
Возможно, что в перспективе бронежилеты с наполнением из данного материала могут превзойти по характеристикам все другие существующие и перспективные образцы СИБ. В настоящий момент разработки СИБ на основе нанотрубок дисульфида вольфрама находятся в стадии лабораторных исследований из-за дороговизны синтеза исходного материала. Тем не менее, некая международная компания уже производит наночастицы дисульфидов вольфрама и молибдена в количестве многих килограммов в год по запатентованной технологии.

Крупная британская оборонная компания Bae Systems разрабатывает геленаполненный бронежилет. В геленаполненном бронежилете предполагается пропитать арамидное волокно неньютоновской жидкостью, обладающей свойством мгновенно твердеть при ударных воздействиях. Считается что «жидкая броня» является одним из наиболее перспективных направлений разработки перспективных СИБ. Такие работы ведутся и в России применительно к перспективному комплекту экипировки бойцов «Ратник-3».

Концепт экипировки «Ратник-3»
Простейшую неньютоновскую жидкость может сделать практически любой – достаточно смешать крахмал с водой, с бронежилетами всё, конечно, сложнее.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что перспективные СИБ планируется создавать с использованием новейших технологий, находящихся на острие технического прогресса. Если же говорить о стрелковом оружии, то здесь такого буйства технологий не наблюдается. Что является причиной этого, отсутствие потребности или консерватизм оружейной сферы?

Многие проекты перспективных СИБ безусловно зайдут в тупик, но часть из них обязательно «выстрелит», и возможно сделает устаревшим всё стрелковое оружие XX века, как в своё время устарели луки, арбалеты и дульнозарядное стрелковое оружие. Кроме того, бронежилет не единственный важный элемент экипировки бойца, который способен радикально повысить его выживаемость в бою.

От том, какие ещё элементы экипировки повысят выживаемость бойцов на поле боя и почему это приведёт к увеличению значения стрелкового оружия, поговорим в следующем материале. Вкупе это позволит нам понять, почему необходимо создавать стрелковое оружие, обеспечивающее пробитие существующих и перспективных СИБ, и почему не стоит на этом экономить.

Автор: Андрей Митрофанов

Еще примеры создания брони на основе образцов из живой природы.

Морские моллюски подсказали технологию эффективной и гибкой брони.

Хитоны (лат. Polyplacophora) – широко распространенный класс морских моллюсков размером от 1 до 35 см. Среди своих собратьев они выделяются панцирем, полностью покрывающим их овальное тело. Он состоит из восьми плотно прилегающих друг к другу подвижных пластин, которые надежно защищают этих морских животных от врагов.

При внешнем механическом воздействии на пластины они сдвигаются внутрь и фиксируются между собой, образуя жесткий прочный панцирь. Однако при движении по неровному дну пластины и чешуйки «расслабляются» – обретают подвижность, выполняя функцию конечностей.

Именно эта особенность защитного покрова хитонов – прочность и одновременно гибкость – привлекла внимание международной группы ученых и привела к созданию материала, устойчивого к значительным механическим воздействиям.

Новый материал по своей структуре во многом напоминает панцирь хитона. Он состоит из расположенных внахлест друг на друга 3D-печатных жестких пластин на гибкой подложке. В ходе лабораторных испытаний было обнаружено, что эти пластины образуют прочную поверхность при внешнем механическом воздействии, а в его отсутствии – становятся пластичными в изгибах.

Материал был протестирован на способность противостоять проникновению разбитого стекла. По результатам экспериментов ученые отметили важную особенность материала: чем меньше формирующие его пластинки, тем больше его гибкость и ниже ударопрочность.

Это означает, что если из него сделать бронежилет, то в местах изгибов (в коленях и локтях) чешуйки следует сделать меньше, а тело, напротив, закрыть крупными и крепкими пластинами.

Солдат в раковине: Скрытая крепость.
Удивительные способности раковин глубоководных моллюсков противостоять самым мощным ударам могут послужить основой для создания брони нового поколения.

Обладатели сверхпрочных панцирей, моллюски Crysomallon squamiferum могут помочь в разработке нового поколения бронежилетов и шлемов

Чешуеногий моллюск Crysomallon squamiferum был открыт лишь в 1999 г., при исследовании одного из знаменитых «черных курильщиков» — уникальных геологических и биологических ниш, существующих на больших глубинах в океане, близ мест высокой вулканической активности. Конкретно этот организм был обнаружен в Индийском океане, на глубине 2,4 км.

Строение панциря этого редкого моллюска исследовала группа американских ученых во главе с Кристин Ортиз (Christine Ortiz), пытаясь понять механизм, позволяющий обладателю такой трехслойной брони эффективно защищаться от хищных клешней ракообразных.

Чтобы пробиться сквозь эту твердую оболочку, исследователям пришлось использовать сверло с алмазным наконечником, прикладывая то же внушительное усилие, что создается мощными клешнями крабов. Полученные данные о прочности панциря ученые использовали для создания компьютерной модели слоистой структуры панциря — а заодно модели краба, атакующего ее.

Оказалось, что для защиты моллюск использует некоторые весьма интересные и полезные хитрости. К примеру, самая внешняя оболочка их панциря состоит из очень твердых частиц сульфида железа, которые в «черных курильщиках» образуются естественным образом. Каждая из частиц имеет около 20 нм в поперечнике, они погружены в сравнительно мягкую органическую оболочку, продукт секреции моллюска. Такая структура, конечно, поддастся достаточно мощному удару, но она поглотит огромное количество его первоначальной энергии.

Более того, если в ней появятся трещины, они не распространятся далеко, оставшись микроскопическими: прочные наночастицы сульфида железа ограничивают появление крупных разломов. Частицы эти действуют и в обратном направлении: они настолько тверды, что запросто могут затупить, а то и деформировать даже прочную клешню противника.

Средний слой панциря более толст и структурно напоминает губку. Основная его функция — смягчение воздействия и дальнейшее поглощение его энергии. В конце концов, та сила, которая достигнет довольно хрупкого внутреннего слоя, состоящего из кальцита (карбоната кальция, обычного материала раковин и основного составляющего известняка, мела и мрамора), оказывается слишком незначительной, чтобы справиться с ней.

По мнению Кристин Ортиз, наиболее важным адаптационным элементом такой слоистой брони, который появился у моллюска в ходе жизни на очень большой глубине, можно назвать средний губчатый слой. Кислотная среда, характерная для «черных курильщиков», легко способная растворить кальцитный панцирь, не имеет доступа к нему.

Ученая полагает, что подобный подход может использоваться и для создания новых поколений бронежилетов, шлемов и прочих средств безопасности повышенной прочности, но без добавления избыточного веса. Идея состоит в использовании внешнего слоя, включающего железосодержащие наночастицы, которые бы эффективно рассеивали энергию удара с появлением микротрещин.

Самый совершенный убийца с сверхспособностями — Рак богомол.