Инициативы российских разработчиков по созданию новой брони нуждаются в адресной господдержке

Уже много лет головной разработчик России материалов и конструкций защиты вооружения и личного состава ОАО «НИИ стали», входящий в машиностроительно-индустриальную группу и находящийся в управлении ООО «ККУ «Концерн «Тракторные заводы», занимается вопросами создания эффективных структур прозрачной брони, используя самые передовые достижения отечественной промышленности.

Стекло для шлема на основе поликарбоната (слева) обеспечивает 1 класс защиты по ГОСТ Р50744-95, тогда как комбинированное стекло (справа) при тех же габаритах и массе обеспечивает 2 класс защиты.
Источник: http://www.tplants.com/

Инициативные работы в этом направлении, проводимые профильными институтами Российской Академии наук (ИМЕТ, ИОНХ, ИСМАН) при участии ОАО «НИИ стали», нуждаются во внимании и адресной поддержке со стороны Правительства Российской Федерации в рамках Федеральной целевой программы создания новых перспективных материалов.

Все это особенно актуально в создавшихся условиях беспрецедентного давления на Россию со стороны ЕС и США. Президент России Владимир ПУТИН на одном из недавних заседаний комиссии по военно-техническому сотрудничеству поставил задачу устранить пробелы по ряду направлений импортозамещения в российском оборонно-промышленном комплексе. Он подчеркнул, что это принципиально важно, в первую очередь, для программы переоснащения отечественных вооруженных сил. И машиностроительно-индустриальная группа «Концерн «Тракторные заводы» как один из крупнейших российских интеграторов научно-технических и производственно-технологических ресурсов в машиностроении уже активно работает по ряду направлений оборонного значения.

Необходимость в государственной поддержке создания новых перспективных прозрачных броневых материалов обусловлена тем, что традиционные уже не обеспечивают все возрастающих требований по защите. Особенно это касается защиты от мощных средств поражения. Между тем прозрачная противопульная и противоосколочная броня чрезвычайно востребована, поскольку используется в качестве остекления в различных зданиях и транспортных средствах: летательных аппаратах, бронеавтомобилях, на кораблях, а также для индивидуальной защиты лица человека - везде, где есть необходимость в защите его жизни.

Различные требования к прозрачной броне формулируются как в специальных технических требованиях, так и в государственных и межгосударственных стандартах. В России таким документом является ГОСТ Р 51136-2008 «Стёкла защитные многослойные. Общие технические условия».

В то же время существует несколько общих требований, традиционно предъявляемых к прозрачной броне: соответствующие её применению ограничения по массе; размеры, обеспечивающие необходимую обзорность пользователю; живучесть – способность прозрачной брони выдерживать необходимое количество попаданий без пробития; приемлемые оптические характеристики.

В качестве материалов для изготовления прозрачной брони, в основном, применяют неорганические (силикатные) стёкла и прозрачные полимеры: полиметилметакрилат (оргстекло), поликарбонат, полиуретан.

Таблица 1. Некоторые механические свойства материалов, используемых для прозрачной брони.

Прозрачные полимерные пластики в виде монолита или различных слоистых композиций применяют для создания прозрачной брони не выше 2 класса защиты по ГОСТ Р 51136-2008 (от различных пистолетных пуль с свинцовым сердечником и пуль со стальным сердечником к пистолетам ПМ и ТТ), а также противоосколочной и противоударной защиты. Обязательным компонентом таких структур является поликарбонат, не разрушающийся при ударном воздействии благодаря своей высокой ударной прочности.

Для изготовления прозрачной брони более высокого класса защиты в настоящее время в России, как правило, используют упрочнённые силикатные стекла. Такое упрочнение осуществляют сжатием поверхностных слоёв при химико-термической обработке и поверхностной закалке или растворением поверхностного дефектного слоя. При этом прочность стекла повышается в 2-4 раза. Однако, упрочнение силикатных стёкол эффективно только для защиты от средств поражения с низкой твёрдостью (менее твёрдости силикатного стекла = 6,5 ГПа). Такое средство поражения (пуля или её сердечник) при взаимодействии со стеклом деформируется без внедрения, что обеспечивает выигрыш по массе в 3 - 3,5 раза по сравнению с неупрочнённым стеклом. При взаимодействии с пулей, имеющей сердечник высокой твёрдости, преимущества упрочнённого стекла утрачиваются, так как создаются условия для внедрения сердечника как недеформированного тела. В результате прозрачные бронеструктуры с использованием упрочнённого силикатного стекла, защищающие от поражения пулями с высокотвёрдыми сердечниками, весят ≥ 80-120 кг/м2, поэтому их сложно использовать даже для бронирования автомобилей, не говоря уже о прозрачных забралах для бронешлемов.

Поскольку силикатное стекло является упруго-хрупким материалом, то закономерности его пробития такие же, как у керамики. После начальной стадии взаимодействия ударника со стеклянной пластиной впереди проникающего тела образуется волна разрушения, создающая сетку трещин, что приводит в конечном итоге к тыльному отколу даже при отсутствии проникновения ударника за заднюю поверхность пластины. В связи с вышеизложенным, высокопрочные стёкла могут быть использованы только в прозрачных многослойных преградах с защитными тыльными плёнками, задерживающими осколки. В качестве тыльного слоя также используется поликарбонат.

Исходя из этого, одной из важнейших проблем создания прозрачной брони являются вопросы соединения слоёв прозрачных бронепреград с обеспечением прочной адгезивной связи между ними и сохранением прозрачности и оптических свойств. Для соединения таких слоёв разработаны различные вязкие эластичные прозрачные связующие: поливинилбутералевые, акриловые, полиуретановые и др. клеи и плёнки, после полимеризации выполняющие также функцию барьера для распространяющихся трещин.

Наилучшими свойствами с точки зрения пулестойкости среди силикатных стёкол обладает высокотвёрдое кварцевое стекло (его химический состав – чистый оксид кремния), обладающее к тому же и более низкой плотностью (2,2 г/см3 против ~2,5 г/см3 у наиболее часто применяемых силикатных стёкол). Однако оно имеет более низкую живучесть, чем другие силикатные стёкла, да и производство в России пластин кварцевого стекла крупных размеров в настоящее время находится в состоянии упадка. При этом использование импортного кварцевого стекла для целей создания прозрачной брони ограничивается как высокими стоимостными показателями, так и прямыми запретами на поставку в Россию.

Следует отметить, что перспективным направлением повышения живучести силикатной прозрачной брони является освоение методов создания мелкоячеистых, на полимерном связующем, стеклянных пластин, полностью сохраняющих при этом оптические свойства. Производство таких стёкол практикуется за рубежом, например, в Германии.

В современных условиях помимо требований защиты от поражения различными средствами к прозрачной броне предъявляются и такие эксплуатационные требования, как, например, защищённость от запотевания и обледенения. Для зданий и транспортных средств эта задача решается созданием электрообогревных стёкол с проволочным обогревом, электропроводящим напылением или такими же плёнками. В прозрачных забралах бронешлемов для этих же целей применяют специальные покрытия или плёнки. Также важной задачей является предохранение бронестёкол, особенно их полимерной составляющей, от абразивного воздействия окружающей среды (пыли, песка и проч.), загрязнения, действия различных химических средств (масла, бензина и т. п.), вызывающих снижение их оптических свойств. Эта задача тоже решается путём специальной обработки поверхности бронестёкол, использования специальных покрытий и плёнок.

Ещё одним способом повышения защитных характеристик прозрачной брони является использование технологий т. н. «смарт-стекла» (электрохромного стекла), меняющего прозрачность под действием электрического напряжения, что позволяет, например, при обстреле сделать бронестекло непрозрачным. При этом то, что находится за бронестеклом, станет, естественно, невидимым для противника. Также в состав бронестёкол вводят плёнки, обеспечивающие защиту от УФ, радио- и СВЧ излучений.

В настоящее время различными предприятиями в России выпускаются пуленепробиваемые прозрачные преграды на основе силикатного стекла со следующими характеристиками:

Таблица 2. Защитные характеристики пуленепробиваемых прозрачных преград.

Следует отметить, что сегодняшняя традиционная прозрачная защита может считаться практически исчерпавшей возможности по минимизации своей массы.

Реальным путём для снижения весовых характеристик прозрачной брони высоких классов защиты является использование в качестве лицевого слоя прозрачной керамики: монокристаллического лейкосапфира (оксид алюминия Al2O3) и поликристаллических оксинитрида алюминия Al23O27N5 (известного под названием ALON, или Алон в русскоязычном варианте) и алюмомагнезиальной шпинели (Al2O3MgO). Эти материалы имеют близкую к алмазу твёрдость по шкале Мооса (порядка 8-9), что является весьма действенным при разрушении пуль с упрочнённым сердечником. Некоторые механические свойства прозрачной керамики приведены в таблице 3.

Таблица 3. Некоторые механические свойства прозрачной керамики.

За рубежом применение в броневой защите прозрачной керамики является весьма распространённым. Разработка слоистой прозрачной брони с применением искусственно выращенных лейкосапфиров ведётся, например, в США, Израиле, Украине, Чехии. В США разработана технология т. н. «краевого роста» лейкосапфиров, что позволяет получить пластины больших размеров 12х18,5 дюймов (≈ 300х470 мм), толщиной 10,9 мм.

В России также имеются возможности получения лейкосапфировых пластин, налажено производство этого материала для различных отраслей промышленности. Существуют различные методы выращивания лейкосапфира. При этом, в целях создания прозрачной брони, необходимым является получение крупных и особо крупных монокристаллов лейкосапфира. Поставленной задаче наиболее полным образом отвечает тигельный метод Багдасарова (с неограниченной зоной расплава), основанный на перемещении контейнера с исходным веществом и затравочным монокристаллом в горизонтальном направлении. При реализации метода Багдасарова технически просто создать управляемое температурное поле, крайне необходимое для выращивания высокосовершенных крупных монокристаллов. В настоящее время по методу Багдасарова могут быть получены монокристаллы лейкосапфира размерами 320х400х20÷30 мм.

Эффективность применения лейкосапфира для создания прозрачной брони можно оценить по результатам сравнительных испытаний, приведённым в Таблице 4.

Таблица 4. Результаты сравнительных испытаний слоистых прозрачных преград 5 класса защиты по ГОСТ Р 51136-2008

Как показали проведённые испытания, перспективным вариантом при создании прозрачных бронепреград высоких классов защиты может быть использование пластин монокристалла лейкосапфира толщиной 4-8 мм в качестве лицевого слоя с формированием средних слоёв из силикатного (в т.ч. кварцевого) стекла и тыльного слоя из поликарбоната.

Указанная многослойная структура позволяет минимум в 1,5 раза уменьшить толщину и массу преграды для защиты от обстрела пулями ЛПС из винтовки СВД.

Испытания различных опытных слоистых структур с лицевым слоем из лейкосапфира показали экономию по массе и толщине в сравнении с существующими прозрачными преградами не менее 30%. С точки зрения своих свойств лейкосапфир является наиболее перспективным материалом для прозрачной брони, но его стоимость очень высока из-за высокотемпературной технологии производства и необходимости механической обработки и полировки. Также проблемой является получение не плоских пластин, а деталей криволинейной формы. Кроме того, имеются ограничения в возможности получения лейкосапфиров больших размеров, что связано с необходимостью применения крупных индукционных печей и дорогостоящей оснастки, поэтому применение этого материала в России для прозрачной брони в настоящее время является проблематичным.

Одним из конкурентных решений в создании высокоэффективной прозрачной брони является разработка прозрачных поликристаллических материалов. Одним из лидирующих материалов такого рода является ALON (оксинитрид алюминия Al23O27N5). Его разработку провела компания Raytheon (США), а производит сейчас другая американская компания Surmet Corporation.

Оксинитрид алюминия (ALON), как и алюмомагнезиальная шпинель – это материалы, чьи оптические и механические свойства схожи с сапфиром. В отличие от лейкосапфира с его ромбоэдрической кристаллической структурой, они имеют изотропную кубическую кристаллическую решётку, обеспечивающую им в поликристаллической форме прозрачность. К тому же эти материалы могут производиться при помощи обычной порошковой технологии в формах с профилем, близким к заданному. По сравнению с сапфиром, изделия из этих материалов могут быть больше по размеру и иметь более сложные формы. При сравнении обоих материалов друг с другом следует отметить, что ALON твёрже, прочнее и более технологичен, чем шпинель.

При производстве изделий из ALON прозрачная керамика образуется из исходного порошка с помощью таких технологий формования, как литьё под давлением, шликерное литьё, изостатическое прессование, с последующей термообработкой. Кубическая структура обеспечивает ALON его изотропные оптические характеристики, поэтому шлифовка и полировка этого материала требует гораздо меньше усилий и затрат, чем аналогичная обработка сапфира. Фирмой Surmet освоено изготовление окон из ALON размерами до 46х89 см. Максимальный возможный размер заготовок из этого материала в настоящее время составляет ~ 1150х610х32 мм. При этом ALON прозрачен в диапазоне от УФ до средней ИК-области спектра. Он обладает значительно большей стойкостью к воздействию агрессивных сред по сравнению с силикатными стёклами, включая кварцевое, и, соответственно, значительно большей долговечностью при эксплуатации в экстремальных условиях. Выпускаемая Surmet прозрачная броня ALON Transparent Armor при вдвое более низком весе и толщине, чем стандартное многослойное силикатное стекло, обеспечивает защиту от бронебойных пуль калибров 7,62 мм и 12,7 мм, а также от самодельных взрывных устройств (СВУ).

Стандартное силикатное стекло и ALON, обеспечивающие одинаковый уровень защиты от пуль Б32 калибра 12,7 мм.
Источник: http://www.tplants.com/

Важной задачей, влияющей на качество и стоимость прозрачной керамики ALON, является получение исходного порошка. В настоящее время базовым при промышленном получении порошков ALON является карботермальный метод, состоящий в высокотемпературном (1700оС) твердофазном взаимодействии между исходными компонентами Al2O3, AlN и углеродом в атмосфере азота. Тем не менее, развиваются и новые технологические подходы, основанные на альтернативных методах синтеза, например, жидкофазный синтез ALON из растворимых азотсодержащих соединений. Реализация такой технологической схемы позволила бы понизить температуру процесса с 1700оС до 1200-1300оС, что значительным образом повлияло бы на технологичность производства и снижение стоимости конечного материала.

Силикатное стекло (фото слева) пробито пулей Б32 калибра 12,7 мм, причем пробита и металлическая рамка. ALON этой же пулей не пробит ( в центре лицевая сторона, справа- тыльная сторона).
Источник: http://www.tplants.com/

Следует отметить, что до последнего времени проблемам создания отечественного аналога ALON – прозрачной керамики из оксинитрида алюминия в России уделялось мало внимания. Как следствие, на данный момент отсутствуют как отработанная технология производства порошка оксинитрида алюминия необходимого качества, так и технология получения из него прозрачных керамических деталей. Поэтому необходимым является, чтобы небольшие инициативные работы в этом направлении, проводимые профильными институтами Российской Академии наук (ИМЕТ, ИОНХ, ИСМАН) при участии ОАО «НИИ стали», получили поддержку со стороны Правительства Российской Федерации в рамках Федеральной целевой программы создания новых перспективных материалов.

По мнению специалистов ОАО «НИИ стали» для России приоритетными могут стать следующие направления развития и совершенствования прозрачной брони в России:

1. Создание в необходимых масштабах отечественного импортозамещающего производства таких прозрачных материалов, как поликарбонат, кварцевое стекло, прозрачная керамика с требуемыми характеристиками.
2. Разработка новых прозрачных материалов и технологий их обработки, позволяющих повышать их защитные и эксплуатационные характеристики.
3. Разработка и совершенствование технологий формования и соединения составляющих компонентов прозрачных броневых структур для обеспечения выполнения предъявляемых к ним требований.

Руководство управляющей компании машиностроительно-индустриальной группы ООО «ККУ «Концерн «Тракторные заводы» считает, что сегодня особенно важно превратить идеи в высокие технологии. Для этого инжиниринговые предприятия должны занять место между наукой и реальным сектором экономики для внедрения результатов научных исследований. Поэтому в кооперационной цепочке предприятий «Тракторных заводов» особое место занимают инжиниринговые компании – ОАО «НИИ стали», ОАО «Специальное конструкторское бюро машиностроения», ООО «МИКОНТ», ООО «Завод инновационных продуктов «КТЗ», которые должны обеспечить группе высокий научно-технический и производственно-технологический потенциал, а, значит, конкурентоспособность выпускаемой ею продукции. Отечественные разработчики готовы создавать новые материалы, если стране это нужно. Для этого нужна адресная поддержка Правительства РФ в рамках Федеральной целевой программы создания новых перспективных материалов. Они уверенны, что смогут разработать лучшие аналоги защиты и решить целый ряд вопросов по импортозамещению продукции по ряду позиций в этом направлении.

Материал подготовила группа специалистов ОАО «НИИ стали»: С.Ю. ЧУСОВ, А.В. ЩЕРБАКОВ, В.П. ЯНЬКОВ

Используемая литература:

1. Багдасаров Х.С. Высокотемпературная кристаллизация из расплава. М., 2004;
2. Власов А.С., Кожушко А.А., Синани А.Б. и др. Прозрачная защита от твердых ударников. // ВОТ. Сер. 16. № 1. 2004;
3. Галахов А.В., Зеленский В.А., Шелехов Е.В., Щербаков А.В. и др. Проблемы создания прозрачной броневой керамики из оксинитрида алюминия // 12-я международная научно-практическая конференция «Новейшие тенденции в области конструирования и применения баллистических материалов и средств защиты». М., 2012;
4. Прозрачные броневые материалы. // Military Technology, №12, 2008;
5. Уол Дж. М. и др. Последние достижения в области развития технологии производства оптической керамики ALON. Корпорация «Сурмет». Массачусетс, США. (http://en.wikipedia.org/wiki/Aluminium_oxynitride#cite_note-r2-3).