PL243558B1 - Osłona balistyczna - Google Patents

Abstract

Osłona balistyczna stanowiąca wyprofilowaną płytę, zawierającą rdzeń ceramiczny, który od swojej strony przedniej oraz od swojej strony tylnej posiada wykonane z poliuretanu wewnętrzne zbrojone pokrycie, charakteryzująca się tym, że rdzeń ceramiczny (1) wraz z wewnętrznym zbrojonym pokryciem (2) zawinięte są w wykonany z tkaniny bazaltowej płaszcz bazaltowy (3), który dodatkowo wyposażony jest w bazaltową zakładkę wzmacniającą (4), zachodzącą na tylne wewnętrzne zbrojone pokrycie (2), natomiast na bazaltową zakładkę wzmacniającą (4) oraz tylne wewnętrzne zbrojone pokrycie (2) nałożona jest wykonana z tkaniny bazaltowej powłoka bazaltowa (5), która tym samym wraz z płaszczem bazaltowym (3) oraz bazaltową zakładkę wzmacniającą (4) współtworzy zamkniętą monolityczną bazaltową otulinę, która zawinięta jest w wykonaną z poliuretanu zewnętrzną okrywę ochronną (7), wyposażoną poliuretanową zakładkę ochronną (8), połączoną z wykonanego z poliuretanu zewnętrznym zbrojonym pokryciem (9), do którego zamocowane są kolejno wykonane z tkaniny aramidowej warstwy aramidowe (10), spojone za pomocą spoiwa termoplastycznego (11), jednocześnie do ostatniej warstwy aramidowej (10a) zamocowane jest wykonane z poliuretanu wykończenie ochronne (12).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest osłona balistyczna, stanowiąca zabezpieczenie przed skutkami trafienia pociskami oraz odłamkami.

Osłony i tarcze balistyczne, aby były skuteczne powinny cechować się wysoką wytrzymałością, sztywnością oraz zwiększoną odpornością na działanie czynników środowiska, takich jak wilgoć, promieniowanie UV, skrajna temperatura, a także na rozdarcia, przebicia i rozciągnięcia wzdłużne.

Zazwyczaj, zawierają one zamknięte w wodoszczelnym pokrowcu warstwowe wsady z tkanin balistycznych, zwłaszcza z włókien para-aramidowych typu Kevlar, Twaron, Saatilar lub jednolite arkusze z włókien polietylenowych, takich jak np. Dyneema.

Używane w tarczach i osłonach tkaniny aramidowe wytwarzane są z włókien aramidowych w procesie niskotemperaturowej polikondensacji monomerów parafenylenodiaminy (PPD) oraz chlorku tereftaloilu (TCL). Taki sposób produkcji powoduje otrzymanie produktu cechującego się wysoką izolacyjnością cieplną oraz wytrzymałością mechaniczną. To właśnie dzięki tej wytrzymałości tkaniny aramidowe zostały zakwalifikowane jako tkaniny balistyczne.

Tradycyjne tkaniny stosowane na osłony balistyczne mają struktury o splocie płóciennym. Tkanina płócienna charakteryzuje się ortogonalnymi właściwościami mechanicznymi, wynikającymi z jej dwuukładowej budowy (wzdłuż osnowy i wzdłuż wątku). Podczas uderzenia pocisku w tkaninę dwuosiową energia kinetyczna jest absorbowana przez nitki osnowy i wątku kontaktujące się z czołem pocisku. Energia kinetyczna pocisku jest jednym z głównych parametrów decydujących o wyborze materiału, który ma być użyty przy konstruowaniu osłony. Dla małych energii uderzenia np. dla pocisków symulujących odłamki lub amunicji o małym kalibrze (o energii kinetycznej poniżej 700 J) zastosowanie luźno złożonych (pakietów) tkanin z włókien wysokowytrzymałych jest wystarczające do zatrzymania pocisku.

Często do budowy osłon i tarcz balistycznych wykorzystywane są materiały ceramiczne, stanowiące niemetaliczne i nieorganiczne ciała stałe o strukturze krystalicznej lub szklistej, które posiadają wiele użytecznych właściwości fizycznych, w tym odporność na ciepło, ścieranie i ściskanie, wysoką sztywność, niską wagę w porównaniu ze stalą i wyjątkową stabilność chemiczną.

Takie struktury balistyczne o termoplastycznym charakterze, zbudowane z warstw znane są ze stanu techniki.

Na przykład, w amerykańskim opisie patentowym o nr US 5935678 ujawniono laminowaną strukturę balistyczną złożoną z warstw UD z włókien polietylenowych. Pomiędzy dwiema warstwami UD jest umieszczona folia polietylenowa, której zadaniem jest utrzymywanie spójności tych warstw UD bez osadzania indywidualnych włókien w polietylenie. Warstwy UD to warstwy włókien z równoległym ukierunkowaniem włókien elementarnych.

Z opisu patentowego US 2006230916 znana jest także przenośna balistyczna tarcza dla policji i personelu wojskowego, z wymiennymi osłonami frontowej części zawierającymi kamuflujące wzory, dostosowane do warunków otoczenia, symulujące różne rodzaje terenów i środowisk. Jako materiały balistyczne może zawierać Kevlar i włókno szklane, materiały kompozytowe lub inne równoważne materiały balistyczne. Tarcza o kształcie prostokąta wyposażona jest w wysuwane samonośne podpory oraz szereg różnego typu uchwytów ułatwiających przenoszenie. Jedna z długich krawędzi tarczy posiada nakładkę zapewniającą przyczepność do podłoża i zapobiegającą niekontrolowanemu przesuwaniu po podłożu. Przeciwległa krawędź posiada prostokątne wybranie umożliwiające wysunięcie i odparcie lufy bądź lornetki.

Zwykle jednak występujące w stanie techniki struktury balistyczne obejmują balistyczne warstwy włókien, takich jak włókna aramidowe lub włókna z polietylenu dużej gęstości, osadzone w matrycy kauczukowej bądź kauczukopodobnej. Przykładem może być amerykański patent o nr US 4916000, gdzie indywidualne filamenty w warstwach balistycznych są całkowicie pokryte termoplastycznym materiałem elastomerycznym, takim jak Kraton.

Według standaryzacyjnej sojuszniczej publikacji NATO - AOP-39 zatytułowanej „Guidance on the assessmentand development of insensitive munitions (IM)” (Edycja 3, 2010 r., str. L-6, L-7) oraz holenderskiej pozycji literaturowej pt. „TNO Prins Maurits Laoratory - Diverse and Dynamie” (Wydawnictwo TNO Prins Maurits Laboratory, Rijswijk, The Netherlands, 1988 r.; str. 202) w stanie techniki znane są pasywne, warstwowe balistyczne osłony i pancerze zawierające warstwy ceramiki, zbudowane z płytek ceramicznych połączonych tylnymi czołowymi powierzchniami z warstwą podkładową wykonaną ze stopu aluminium. Warstwy ceramiczne wraz z warstwami podkładowymi umieszczone są między skrajnymi warstwami osłonowymi, spełniającymi również funkcję obudowy oraz ekranów antyodpryskowych, które mogą być wykonane z metalu, zazwyczaj ze stali pancernej lub kompozytów mających włóknistą matrycę polimeryczną - aramidową lub polietylenową. Znane są również według publikacji TNO warstwowe pancerze pasywne zbudowane z płyt pancernych oddzielonych od siebie warstwami powietrza.

W stanie techniki znany jest także polski wynalazek o nr PL 229723. Stanowi go kompozyt balistyczny o zwiększonej odporności na wielokrotne uderzenie pociskiem. Jest to hybrydowy układ materiałowy w postaci płyty zawierającej spodnią warstwę w postaci sprasowanych arkuszy polimerowego materiału balistycznego połączoną z warstwą wielosegmentowej ceramiki przez elastyczną warstwą oraz wielowarstwowej powłoki zabezpieczającej, jak również warstwy antyodpryskowej i elementu antyugięciowego.

Znana jest ponadto, z brytyjskiego opisu patentowego o nr GB 2122732 tarcza chroniąca użytkownika przed pociskami, zawierająca materiał balistyczny w postaci warstwowego materiału aramidowego i ceramicznych płyt, osadzony w metalowej ramie, z którą połączone są usztywniające poprzeczki, z którymi z kolei połączone są pręty z uchwytami.

Znany jest również z amerykańskiego opisu patentowego o nr US 2014230638 wielowarstwowy pancerz wykonany z segmentowej warstwy ceramicznej, składającej się z elementów ceramicznych na bazie węglika krzemu, trójtlenku glinu lub węglika boru, połączonych spoiwem klejowym z wielowarstwowym podłożem z kompozytu aramidowego oraz kompozytu polietylenowego. Pancerz zabezpieczony jest przed działaniem środowiska zewnętrznego za pomocą pojedynczej powłoki materiału poliestrowego.

Natomiast z innego polskiego opisu patentowego PL 215873 znane są dodatkowe wkłady balistyczne zbudowane z segmentowej warstwy ceramicznej, składającej się z płytek ceramicznych, naklejonych na wielowarstwowe podłoże z kompozytu aramidowego, zawierające warstwę przeciwodpryskową oraz piankową warstwę amortyzująco-dopasowującą. Warstwa przeciwodpryskową dodatkowych wkładów balistycznych przylega do zewnętrznej górnej i bocznej powierzchni segmentowej warstwy ceramicznej oraz zachodzi na część powierzchni bocznej wielowarstwowego podłoża kompozytowego, wykonanego z kompozytu aramidowego. Piankowa warstwa amortyzująco-dopasowująca jest dookolnie naklejona na zewnętrzną powierzchnię układu warstwowego utworzonego z warstwy przeciwodpryskowej, segmentowej warstwy ceramicznej oraz podłoża. Podstawowe warstwy ochronne wkładu balistycznego dodatkowego, zatrzymujące i/lub niszczące pocisk uderzający we wkład balistyczny i rozpraszającymi jego energię kinetyczną, stanowią segmentowa warstwa ceramiczna oraz wielowarstwowe podłoże z kompozytu aramidowego. Warstwa przeciwodpryskowa zapobiega rozlotowi odłamków pochodzących z płytek ceramicznych i rdzenia pocisku przeciwpancernego, powstałych w wyniku uderzenia pocisku we wkład balistyczny. Piankowa warstwa amortyzująco-dopasowująca podwyższa właściwości użytkowe wkładu balistycznego poprzez amortyzowanie wszelkiego rodzaju mechanicznych bodźców, zwłaszcza udarowych, występujących podczas eksploatacji dodatkowego wkładu balistycznego oraz zapewnia lepsze dopasowanie do tułowia użytkownika kamizelki kuloodpornej. Wkłady te służą jako dodatkowy element zwiększający w swoim obrębie odporność kamizelki kuloodpornej na działanie pocisków przeciwpancernych wystrzeliwanych z broni strzeleckiej.

Należy jednak zaznaczyć, że same tarcze ceramiczne jak i zawierające warstwy poliuretanu lub polietylenu czy też materiału aramidowego często pękają po uderzeniu szybko poruszającym się pociskiem i dlatego nie mogą chronić przed wieloma pociskami, które uderzą w bliskiej odległości, jak to ma miejsce w przypadku broni automatycznej.

Powszechny problem ze znanym ze stanu techniki ceramicznym pancerzem dotyczy uszkodzeń wyrządzonych konstrukcji pancerza przez pierwszy pocisk, zatrzymany lub penetrujący. Takie uszkodzenia osłabiają panel pancerza, a tym samym umożliwiają przebicie kolejnego pocisku.

W toku badań okazało się, że zasadnym jest wykorzystanie do budowy osłon tego typu materiału bazaltowego, którego zastosowanie znacząco eliminowałoby kontuzje na polach bitew.

Sam bazalt jest skałą litą, pochodzenia wulkanicznego - wylewną, o strukturze bardzo drobnoziarnistej (czasami porfirowej) i barwie czarnej, szarej lub zielonej. W drobnoziarnistej masie skalnej często widoczne są kryształki lub większe skupienia oliwinu. Bazalt jest kamieniem bardzo twardym i odpornym na oddziaływanie środowisk kwaśnych i zasadowych. Ponieważ jest to magmowa ruda mineralna, można go stopić i uformować w ciągłe włókna, włókna cięte, np. o długości 30 mm, mikrowłókna, na przykład o średnicy 0,42 μm. Takie włókna bazaltowe zostały już użyte np. do wytworzenia tkaniny papierniczej albo wewnętrznego zbrojenia cementu w betonie, dlatego jego wykorzystanie w przedmiotowej dziedzinie ma swoje uzasadnienie. Głównymi składnikami bazaltu są: plagioklazy i pirokseny, ponadto występują: amfibole, melilit, biotyt, mogą występować: kwarc, trydymit lub krystobalit, albo też skaleniowce, oliwiny, szkliwo, a także akcesoryczne: magnetyt, ulvospinel, ilmenit, rzadziej hematyt, piryt i grafit, czasami apatyt. Zawartość kwarcu może dochodzić do 20%, skaleniowców do 10%. Cechą charakterystyczną jest oddzielność słupowa bazaltu, powstała w wyniku kurczenia się zakrzepłej lawy w czasie jej oziębiania. Skład chemiczny bazaltu: SiO2 - 45-55% objętościowo; ALO3 - 14% objętościowo; CaO - 10% objętościowo; FeO - 5-14% objętościowo; MgO - 5-12% objętościowo; związki zasadowe - 2-6% objętościowo; TO2 - 0,5-2% objętościowo. W trakcie trwania procesu technologicznego produkcji włókna bazaltowego materiał uzyskuje drobnokrystaliczną strukturę złożoną z minerałów odznaczających się wysoką twardością i odpornością na działanie kwasów i zasad, z wyjątkiem kwasu fluorowodorowego. Cenioną cechą włókien z topionego bazaltu jest ich odporność na ścieranie. Włókna bazaltowe posiada także bardzo wysoką odporność na działanie wilgoci, nie ulega wpływom czynników atmosferycznych i czasu jak również nie podlega utlenianiu

W stanie techniki znany jest amerykański wynalazek o nr US 2010285269, wykorzystujący bazalt. W opisie patentowym tego wynalazku stwierdzono, że cząstki bazaltu w połączeniu ze spoiwem żywicznym i materiałem wzmacniającym, takim jak włókno szklane, zapewniają nieoczekiwaną wytrzymałość, ognioodporność oraz nieprzepuszczalność. Panele pancerza mogą być noszone w kamizelce kuloodpornej lub mogą być używane jako tarcza do ochrony pojazdu, samolotu lub innych konstrukcji.

Obecnie, w stanie techniki brak jest jednak rozwiązania, które skutecznie chroniłoby uczestnika walki przed szybko poruszającym się pociskiem lub pociskami, uderzonymi zarówno z bliskiej odległości, zwłaszcza z broni automatycznej lub z dalszej odległości z użyciem precyzyjnej broni snajperskiej używanej do likwidowania pojedynczych celów. Z uwagi na kafelkową budowę poszczególnych elementów osłon i tarcz będących w stanie techniki, dochodzi często do sytuacji, że podczas używania i zetknięciu z pociskami rozpadają się one na wiele części. Rozpad taki występuje także w przypadku używania wynalazku US 2010285269, w którym użyty jest co prawda bazalt, ale w formie łączonych ze sobą cząsteczek, co szczególnie widać na fig. 3, 3A i 4 tego rozwiązania.

Nieoczekiwanie okazało się, że dokonując doboru odpowiednich warstw oraz ich rozmiarów, a przede wszystkim użycie bazaltu w odpowiedniej monolitycznej formie doprowadza do stworzenia osłony balistycznej o niespotykanej dotąd skuteczności.

Istotą wynalazku jest osłona balistyczna stanowiąca wyprofilowaną płytę, zawierającą rdzeń ceramiczny, który od swojej strony przedniej oraz od swojej strony tylnej posiada wykonane z poliuretanu wewnętrzne zbrojone pokrycie, charakteryzująca się tym, że rdzeń ceramiczny wraz z wewnętrznym zbrojonym pokryciem zawinięte są w wykonany z tkaniny bazaltowej płaszcz bazaltowy, który dodatkowo wyposażony jest w bazaltową zakładkę wzmacniającą, zachodzącą na tylne wewnętrzne zbrojone pokrycie, natomiast na bazaltową zakładkę wzmacniającą oraz tylne wewnętrzne zbrojone pokrycie nałożona jest wykonana z tkaniny bazaltowej powłoka bazaltowa, która tym samym wraz z płaszczem bazaltowym oraz bazaltową zakładkę wzmacniającą współtworzy zamkniętą monolityczną bazaltową otulinę, która zawinięta jest w wykonaną z poliuretanu zewnętrzną okrywę ochronną, wyposażoną poliuretanową zakładkę ochronną, połączoną z wykonanego z poliuretanu zewnętrznym zbrojonym pokryciem, do którego zamocowane są kolejno wykonane z tkaniny aramidowej warstwy aramidowe, spojone za pomocą spoiwa termoplastycznego, jednocześnie do ostatniej warstwy aramidowej zamocowane jest wykonane z poliuretanu wykończenie ochronne

Korzystnie, grubość powłoki bazaltowej wraz z bazaltową zakładkę wzmacniającą wynosi nie więcej niż 0,7 mm, zaś łączna grubość warstw aramidowych wraz ze spoiwem termoplastycznym wynosi nie więcej niż 20 mm.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania został bliżej zaprezentowany na rysunku.

Fig. 1 prezentuje osłonę balistyczną w przekroju, przy czym w celu lepszego zobrazowania wynalazku poszczególne elementy składowe zostały oddzielone od siebie, ponadto zrezygnowano na tej figurze z ujęcia wyprofilowania, które odzwierciedlone zostało dokładnie na fig. 2.

Fig. 1 ujmuje rdzeń ceramiczny 1 wraz z wewnętrznym zbrojonym pokryciem 2. Płaszcz bazaltowy 3 stanowi kolejną warstwę, która wraz z bazaltową zakładką wzmacniającą 4 zachodzi na tylne wewnętrzne zbrojone pokrycie 2. Na bazaltową zakładkę wzmacniającą 4 oraz tylne wewnętrzne zbrojone pokrycie 2 nałożona jest wykonana z tkaniny bazaltowej powłoka bazaltowa 5. Kolejną warstwą jest wykonana z poliuretanu zewnętrzna okrywa ochronna 7, wyposażoną w poliuretanową zakładkę ochronną 8, połączoną z wykonanego z poliuretanu zewnętrznym zbrojonym pokryciem 9, do którego zamocowane są kolejno wykonane z tkaniny aramidowej warstwy aramidowe 10. Warstwy aramidowe 10 spojone za pomocą spoiwa termoplastycznego 11. Do ostatniej warstwy aramidowej 10a zamocowane jest wykonane z poliuretanu wykończenie ochronne 12. Na figurze tej grubość powłoki bazaltowej 5 wraz z bazaltową zakładkę wzmacniającą 4 wynosi 0,7 mm, zaś łączna grubość warstw aramidowych 10 wraz ze spoiwem termoplastycznym 11 wynosi 20 mm.

Fig. 2 to ujęcie wyprofilowania płyty w widoku perspektywicznym. Zaznaczono wykonaną z poliuretanu zewnętrzną okrywę ochronną 7, wyposażoną w poliuretanową zakładkę ochronną 8. Widać ponadto wykonane z poliuretanu wykończenie ochronne 12.

Fig. 3 to fragment kilku warstw tworzących wynalazek. Zaprezentowano rdzeń ceramiczny 1 wraz z wewnętrznym zbrojonym pokryciem 2. Figura ta szczególnie ujmuje zamkniętą bazaltową otulinę 6, tworzoną przez płaszcz bazaltowy 3 wraz z bazaltową zakładką wzmacniającą 4 oraz powłokę bazaltową 5. Bazaltowa otulina 6 stanowi zatem monolityczną, a więc jednolitą, zwartą i spójną całość. Ujawniono także wykonaną z poliuretanu zewnętrzną okrywę ochronną 7, wyposażoną w poliuretanową zakładkę ochronną 8.

Z przeprowadzonych badań nad wynalazkiem wynika, że zastosowanie w wynalazku zwłaszcza monolitycznej bazaltowej otuliny, która nie jest rozczłonkowana na cząstki lub kafelki oraz zastosowany układ warstw z tkaniny aramidowej, spojonych za pomocą spoiwa termoplastycznego znacznie zwiększyło ochronę osłanianych części ciała przed skutkami trafienia amunicją 7,62 χ 39 mm pociskami PS o masie 7,9±0,1 g i prędkości mierzonej 720±15 m/s w porównaniu do rozwiązań tego typu ujętych w stanie techniki. Taka konstrukcja osłony według wynalazku pozwala także na zachowanie odporności balistycznej na ostrzał więcej niż jednym strzałem pociskami 223 DMPS AR15 o masie 55 gr oraz 300 Remington Win Mag FMJ o masie 168 gr.

Oprócz monolityczności otuliny bazaltowej, spojone ze są poszczególne warstwy także tworzą jednolitą, zwartą i spójną całość.

Ponadto, wskazane powyżej połączenie otuliny bazaltowej z układem warstw z tkaniny aramidowej skutkowało większą odpornością na rozdarcia, przebicia i rozciągnięcia wzdłużne.

Należy także dodać, że obecność elementów zakładkowych w postaci bazaltowej zakładki wzmacniającej oraz poliuretanowej zakładki ochronnej spowodowała większą niż w przypadku rozwiązań znanych wytrzymałość i odporność na działanie czynników środowiska, takich jak wilgoć, promieniowanie UV oraz skrajna temperatura.

Osłona balistyczna według wynalazku, przeznaczona jest dla funkcjonariuszy wykonujących zadania w warunkach bojowych. Stanowi ona ochronę przed pociskami z broni palnej oraz odłamkami i innymi ostrymi przedmiotami.

Claims (2)

1. Osłona balistyczna stanowiąca wyprofilowaną płytę, zawierającą rdzeń ceramiczny, który od swojej strony przedniej oraz od swojej strony tylnej posiada wykonane z poliuretanu wewnętrzne zbrojone pokrycie, znamienna tym, że rdzeń ceramiczny (1) wraz z wewnętrznym zbrojonym pokryciem (2) zawinięte są w wykonany z tkaniny bazaltowej płaszcz bazaltowy (3), który dodatkowo wyposażony jest w bazaltową zakładkę wzmacniającą (4), zachodzącą na tylne wewnętrzne zbrojone pokrycie (2), natomiast na bazaltową zakładkę wzmacniającą (4) oraz tylne wewnętrzne zbrojone pokrycie (2) nałożona jest wykonana z tkaniny bazaltowej powłoka bazaltowa (5), która tym samym wraz z płaszczem bazaltowym (3) oraz bazaltową zakładkę wzmacniającą (4) współtworzy zamkniętą monolityczną bazaltową otulinę (6), która zawinięta jest w wykonaną z poliuretanu zewnętrzną okrywę ochronną (7), wyposażoną poliuretanową zakładkę ochronną (8), połączoną z wykonanego z poliuretanu zewnętrznym zbrojonym pokryciem (9), do którego zamocowane są kolejno wykonane z tkaniny aramidowej warstwy aramidowe (10), spojone za pomocą spoiwa termoplastycznego (11), jednocześnie do ostatniej warstwy aramidowej (10a) zamocowane jest wykonane z poliuretanu wykończenie ochronne (12).

2. Osłona według zastrz. 1 znamienna tym, że grubość powłoki bazaltowej (5) wraz z bazaltową zakładką wzmacniającą (4) wynosi nie więcej niż 0,7 mm, zaś łączna grubość warstw aramidowych (10) wraz ze spoiwem termoplastycznym (11) wynosi nie więcej niż 20 mm.