Материалы и структуры легкой бронезащиты

Материалы

и структуры легкой 

бронезащиты

И.Ф. Кобылкин, В.В. Селиванов

Допущено

Учебно-методическим объединением вузов 

по университетскому политехническому образованию 
в качестве учебника для студентов высших учебных 
заведений, обучающихся по направлению подготовки 

«Машиностроение»

УДК 623.445
ББК 68.512
 
К55

 
УДК 623.445

 
ББК 68.512

 
© Кобылкин И.Ф., Селиванов В.В., 2014

ISBN 978-5-7038-4001-6 
© Оформление. Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2014

 
    Кобылкин, И.Ф.

Материалы и структуры легкой бронезащиты : учебник /  

И. Ф. Кобылкин, В. В. Селиванов. — Москва : Издательство МГТУ 
им. Н. Э. Баумана, 2014. — 191, [1] с. : ил.

ISBN 978-5-7038-4001-6

Рассмотрен комплекс вопросов, связанных с баллистической 

стойкостью материалов и защитных структур, предназначенных для 
индивидуальной и локальной бронезащиты от воздействия высокоскоростных пуль и осколков. Приведены физические и математические модели процессов высокоскоростного взаимодействия пуль и 
осколков с различными типами бронепреград. Изложены современные представления о механизмах заброневого действия баллистического удара пуль.

Для студентов и аспирантов технических университетов и машино
строительных вузов. Может быть полезна научным работникам, инженерам и военным специалистам, которые занимаются разработкой 
средств индивидуальной и локальной бронезащиты. 

Р е ц е н з е н т ы:

доктор физико-математических наук, профессор Ю.И. Димитриенко; 

доктор технических наук, профессор Г.О. Котиев

К55

Оглавление

Предисловие  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5
Список основных сокращений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8

Глава 1. Основные понятия и определения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9

1.1. Пули стрелкового оружия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9
1.2. Стандарты на средства индивидуальной бронезащиты . . . . . . . . . . . . .10
1.3. Средства индивидуальной бронезащиты  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18
1.4. Локальная бронезащита автомобильной и авиационной военной
 
техники . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .23

1.5. Методы оценки уровней защищенности легкобронированных
 
боевых машин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25

Глава 2. Текстильная броня . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29

2.1. Материалы текстильной брони . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29
2.2. Волокна, нити и ткани. Метрология волокнистых материалов . . . . .32

Глава 3. Механизмы взаимодействия пули с текстильной броней . . . . . . . . .40

3.1. Начальная стадия взаимодействия пули с текстильной броней . . . . .41
3.2. Стадии проникания и торможения пули . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .45
3.3. Энергетический анализ процесса взаимодействия пули
 
с текстильной броней  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .59

3.4. Методы расчета предельной скорости пробития текстильного
 
бронепакета . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .61

3.5. Баллистическая энергоемкость текстильных бронепакетов  . . . . . . . .69
3.6. Влияние влажности текстильного бронепакета на его
 
баллистическую стойкость . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .70

3.7. Влияние свойств материала подложки на баллистическую
 
стойкость текстильных бронепакетов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .74

3.8. Влияние поперечных размеров текстильных бронепакетов
 
на их противоосколочную стойкость . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .76

3.9. Влияние угла воздействия пуль и осколков на баллистическую
 
стойкость текстильных бронепакетов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .78

Глава 4. Полимерная композитная броня  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .86

4.1. Композиционные материалы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .86
4.2. Органопластики  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .86
4.3. Баллистическая стойкость органопластиков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .89
4.4. Особенности пробивания органопластиковой преграды . . . . . . . . . . .97
4.5. Влияние кривизны оболочки бронешлема на его баллистическую
 
стойкость  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100

Глава 5. Металлическая броня . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .105

5.1. Стальная броня . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .105
5.2. Механика процесса пробивания металлического бронеэлемента  . .112

Оглавление

5.3. Определение запреградной скорости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .118
5.4. Металлическая броня на основе сплавов алюминия и титана  . . . . .121

Глава 6. Керамическая броня . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .127

6.1. Керамические бронематериалы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .127
6.2. Баллистическая стойкость керамической брони  . . . . . . . . . . . . . . . . .128
6.3. Поведение керамической брони при ударном воздействии пуль . . .133

Глава 7. Противопульная стойкость многослойных преград
 
с внешним керамическим слоем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .141

7.1. Комбинированная многослойная броня . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .141
7.2. Инженерная методика расчета противопульной стойкости
 
многослойной защитной структуры с внешним керамическим

 
слоем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .144

7.3. Примеры использования инженерной методики для анализа
 
защищающей способности двухслойных и трехслойных

 
защитных структур . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .149

7.4. Методы повышения живучести многослойных защитных
 
структур с внешним керамическим слоем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .156

Глава 8. Прозрачная броня . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .161

8.1. Прозрачные бронематериалы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .161
8.2. Баллистическая стойкость многослойных прозрачных преград . . . .168

Глава 9. Использование наноматериалов в бронезащите: возможности
 
и перспективы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .171

9.1. Прочностные свойства наноструктурированных металлов
 
и сплавов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .171

9.2. Баллистическая стойкость текстильной брони, пропитанной
 
густеющей при быстром сдвиге жидкостью . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .173

Глава 10. Заброневое действие высокоскоростного удара пуль
 
при непробитии бронезащиты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .178

10.1. Общая характеристика заброневого действия . . . . . . . . . . . . . . . . . . .178
10.2. Особенности заброневого действия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .180
10.3. Анализ физических процессов, сопровождающих
 
заброневое действие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .181

Предисловие

Для индивидуальной и локальной бронезащиты от воздействия высоко
скоростных пуль и осколков используется широкий круг защитных противопульных и противоосколочных броневых структур с поверхностной плотностью, не превышающей 50 … 80 кг/м2. Такую броневую защиту называют 
легкой броней, ее применяют в средствах индивидуальной бронезащиты — 
бронежилетах, бронещитах и бронешлемах, для локального бронирования 
автомобилей, самолетов и вертолетов.

Требование минимальности массы защиты приводит к использованию в 

качестве брони необычных материалов. Так, для защиты от низкоэнергетических 
средств поражения — револьверных и пистолетных пуль — широко используют 
текстильную броню из высокомодульных и высокопрочных полиарамидных 
или полиэтиленовых волокон. Эффективная защита от высокоэнергетических 
средств поражения с высокой проникающей способностью — бронебойныхвинтовочныхпульстермоупрочненнымисердечниками — невозможна без применения в качестве элемента защитной структуры керамики — высокотвердого, но очень хрупкого материала, что, казалось бы, полностью исключает его 
применение для защиты от ударно-проникающего действия.

В данном учебнике в систематизированном виде изложен комплекс вопросов, 

связанных с баллистической стойкостью легкой брони. Подробно рассмотрены 
основные типы легкой брони: текстильная, органопластиковая, металлическая, 
керамическая, комбинированная многослойная и прозрачная. Представлены 
физические и математические модели процессов высокоскоростного взаимодействия пуль и осколков с различными типами бронеэлементов, приведены 
количественные зависимости и расчетные методики для оценки их баллистической стойкости. Изложены современные представления о механизмах заброневого действия баллистического удара пуль при непробитии бронезащиты.

Для расширения кругозора читателей в книге содержится раздел об ис
пользовании наноматериалов в изготовлении легкой брони. Многие ведущие 
научно-исследовательские лаборатории мира имеют далекие перспективы и 
хорошо финансируемые программы разработки новых бронематериалов на 
основе использования достижений нанотехнологий.

В ближайшее десятилетие можно ожидать появления принципиально 

новых материалов для баллистической защиты, однако комбинированные 
многослойные преграды с керамическим или металлическим слоями и тогда 
сохранят свое преимущество в защите от бронебойных пуль, обладающих 
максимальной проникающей способностью в ряду других боеприпасов стрелкового оружия.

Несмотря на то что разработка и производство средств локальной и инди
видуальной легкой бронезащиты во многом определяет боевые качества военной техники, бронежилетов, шлемов и т. п., учебника, содержащего систематизированные сведения по обсуждаемой проблеме, нет. Настоящая книга 
призвана восполнить существующий пробел.

Предисловие

Учебник написан на основе лекций по дисциплине «Защита от действия 

взрыва и баллистического удара», читаемых в МГТУ им. Н. Э. Баумана одним 
из авторов книги более 15 лет. Первоначально излагаемый в книге материал 
частично был включен в монографию «Материалы и защитные структуры для 
локального и индивидуального бронирования», написанную И. Ф. Кобылкиным, В. А. Григоряном, В. М. Марининым и Е. Н. Чистяковым. Настоящая 
книга написана совместно с В. В. Селивановым практически заново. Материалов, принадлежащих В. А. Григоряну, В. М. Маринину и Е. Н. Чистякову, 
не осталось.

Учебник состоит из 10 глав. Главы 1 — 4, 8 — 10 написаны И. Ф. Кобылки
ным; главы 5 — 7 — И. Ф. Кобылкиным и В. В. Селивановым.

В главе 1 представлены характеристики пуль стрелкового оружия, даны 

основные понятия отечественного стандарта на бронеодежду, сравнение его 
с наиболее популярными зарубежными стандартами, приведены сведения об 
устройстве бронежилетов, бронешлемов и бронежилетов, а также примеры 
локального бронирования военной техники и методы оценки уровней защищенности легкобронированных боевых машин.

В главе 2 рассмотрены основные полимерные материалы, из которых из
готовляется текстильная броня, а также свойства волокон, нитей и тканей — 
основных элементов дискретной структуры текстильной брони.

Глава 3 посвящена подробному анализу механизмов взаимодействия пуль 

с текстильной броней. Изложение материала начинается с анализа ударноволновых процессов уплотнения текстильного бронепакета на начальной 
стадии взаимодействия пули с бронепакетом. Далее, на примере классических 
задач о поперечном ударе по упругим нитям объяснены механизмы торможения пули и разрушения текстильных бронепакетов. На основе энергетического анализа процесса взаимодействия пули с текстильной броней разработан подход к определению ее баллистической стойкости, позволяющий 
получить аналитическую зависимость предельной скорости пробития бронепакета от его конструктивных характеристик и физико-механических свойств 
ткани. Дан критерий выбора оптимальных тканей, объяснено влияние влажности бронепакета на его баллистическую стойкость. Значительный интерес 
могут представить экспериментальные данные по баллистической стойкости 
бронепакетов различных поперечных размеров.

В главе 4, посвященной полимерной композиционной броне, рассмотре
ны особенности строения броневых органопластиков, проанализирована их 
баллистическая стойкость, приведена аналитическая зависимость для определения предельной скорости пробития. Особое внимание уделено анализу 
влияния кривизны оболочки бронешлема на его баллистическую стойкость, 
получена аналитическая зависимость для расчета предельной скорости непробития.

В главе 5 приведены основные сведения о броневых сталях, высокопроч
ных титановых и алюминиевых сплавах, проанализированы механизмы пробития металлических бронеэлементов, рассмотрены аналитические зависимости для оценки их баллистической стойкости.

В главе 6 изложены концептуальные вопросы баллистической стойкости 

керамической брони. Даны сведения об основных керамических материалах, 

Предисловие

используемых в легкой броне, выполнен подробный анализ процесса взаимодействия пуль с керамическими бронеэлементами, на основании которого 
выявлены механизмы, обеспечивающие их высокую баллистическую стойкость.
В главе 7, посвященной анализу баллистической стойкости многослойной 

комбинированной брони с внешним керамическим слоем, синтезированы 
знания о различных типах брони, рассмотренных в предыдущих главах. Подробно описана инженерная методика расчета противопульной стойкости 
многослойной комбинированной брони с внешним керамическим слоем и 
следующими за ним текстильным или органопластиковым и металлическим 
слоями, соединенными между собой. Приведены примеры использования 
этой методики для анализа баллистической стойкости двух- и трехслойной 
комбинированной брони.
В главе 8 рассмотрены основные прозрачные материалы — стекла, керамики, полимеры и способы их компоновки в многослойные защитные структуры — триплексы, обеспечивающие защиту от воздействия пуль и осколков.
Глава 9 содержит обзор информации о возможностях и перспективах использования наноматериалов для изготовления легкой брони.
В главе 10 с позиций инженера-механика подробно изложены современные 

представления о механизмах заброневого действия баллистического удара 
пуль при непробитии бронезащиты. В гидродинамическом приближении 
выполнен анализ физических процессов, сопровождающих заброневое действие, получено аналитическое выражение для максимального радиуса пульсирующей полости.
С использованием энергетического подхода разработан количественный 

критерий недопущения заброневой травмы выше II степени тяжести. В одномерном приближении выполнен математический анализ ответной реакции 
грудной клетки на удар бронепластины, ускоренной ударом пули. Проанализировано ударно-волновое нагружение мягких тканей, создаваемое ударом 
деформационного купола текстильного бронепакета.
Поскольку одной из целей, поставленных перед собой авторами учебника, 

является его использование при выполнении домашних заданий, при курсовом и дипломном проектировании, то в нем приведены не только инженерные методики расчета соответствующих характеристик защитных структур, 
но и необходимые количественные данные в виде таблиц и графических зависимостей. По этой же причине, а также потому, что материалы глав практически независимы друг от друга, список литературы разбит по главам. 
В списках литературы студенты могут найти интересующие их подробности. 
Литература, рекомендуемая в качестве основной для углубленного изучения 
отдельных разделов лекционного курса, отмечена звездочкой.
Авторы надеются, что настоящий учебник не только окажет существенную 

помощь студентам и аспирантам в изучении материалов и структур легкой 
бронезащиты и механики ее функционирования, но и станет полезным пособием в их дальнейшей практической работе.

Список основных сокращений

АБТ 
— алюминиевый броневой сплав

АКМ — автомат Калашникова модернизированный
АПС — автоматический пистолет Стечкина
БЖ 
— бронежилет

БЗ 
— бронебойно-зажигательная

БЭ 
— бронеэлемент

ВВ 
— взрывчатое вещество

ВДП — вакуумно-дуговой переплав
ВИП — вакуумно-индукционный переплав
ГПУ — гексагональная плотно упакованная (решетка)
ГЦК — гранецентрированная кубическая (решетка)
ЖВО — жизненно важные органы
КАП — климатический амортизационный подпор
КК 
— кислородный конвертор

КМ 
— композиционный материалы

ЛПС — легкая пуля стальная
ОЦК — объемно-центрированная кубическая (решетка)
ПКБ — поликарбонат
ПМ 
— пистолет Макарова

ПММ — пистолет Макарова модернизированный
ППЭ — пенополиэтилен
ПСМ — пистолет специальный малокалиберный
ПЭ 
— поражающий элемент

СВД — снайперская винтовка Драгунова
СВМ — сверхвысокомодульный материал
СИБ — средства индивидуальной бронезащиты
ТМО — термомеханическая обработка
ТТ 
— пистолет Тульский Токарева

ТУС — термоупрочненный сердечник
УБЖ — универсальный бронежилет
ЭДП — электродуговой переплав
ЭШП — электрошлаковый переплав
ACP 
— автоматический пистолет Кольта

AP 
— бронебойная пуля

FMJ 
— свинцовая пуля в сплошной металлической оболочке

JHP 
— полуоболочечная пуля

JSP 
— пуля в оболочке с мягким наконечником

LRN — пуля с закругленной головной частью
S&W — американская компания, производитель огнестрельного оружия  
                    Smith & Wesson

Гл а в а  1

Основные понятия и определения

1.1. Пули стрелкового оружия

Наиболее опасными поражающими факторами на поле боя для воен
нослужащих являются пули, осколки и ударные волны от близких взрывов 
зарядов взрывчатых веществ (ВВ). В современных условиях те же поражающие факторы несут угрозу жизни сотрудникам правоохранительных 
органов при проведении ими специальных операций. Элементы боевой 
экипировки, обеспечивающие защиту от указанных поражающих факторов, 
называют средствами индивидуальной бронезащиты (СИБ). В состав СИБ 
входят бронеодежда, шлем и щит. В последнее время разработаны взрывозащитные комплекты для разминирования различных взрывных устройств.

Пули современного стрелкового оружия весьма разнообразны (рис. 1.1) и 

обладают различной пробивной способностью. Основные конструктивные 
характеристики наиболее распространенных патронов и пуль приведены в 
[1, 2]. Пули состоят из сердечника, свинцовой рубашки и биметаллической 
(стальной, плакированной томпаком) оболочки. Пули, у которых оболочка 
не полностью покрывает сердечник, называют полуоболочечными. Сердечник 
пули может быть свинцовым (иногда для увеличения твердости добавляют 
сурьму) или стальным, помещенным в свинцовую рубашку. Пробивное действие пули зависит от ее конструкции, общей и удельной кинетической 
энергии, массы, прочности материала, из которого она изготовлена, а также 
от прочности преграды. Максимальной пробивной способностью обладают 
так называемые бронебойные пули, имеющие высокотвердый термоупрочненный сердечник (ТУС) из высокоуглеродистой стали. Известны также 
бронебойные пули с твердосплавными сердечниками из карбида вольфрама 
(например, пуля 7Н24), обладающие повышенной пробивной способностью.

Бронебойные пули выстреливаются из длинноствольного оружия и обла
дают высокой начальной скоростью. В последнее время бронебойные пули 
начали разрабатывать и для короткоствольного оружия, в частности для 
пистолетов (например, пуля 7Н21 для пистолета Ярыгина).

Деформируемые низкоскоростные пули со свинцовыми сердечниками 

обладают значительно меньшей проникающей способностью по сравнению с 
пулями со стальными сердечниками. В большинстве случаев такие пули используют в полицейском короткоствольном оружии. Основное назначение этих 
пуль состоит не столько в пробивном, сколько в «останавливающем» действии.

1. Основные понятия и определения

1.2. Стандарты на средства индивидуальной бронезащиты

В соответствии с различной пробивной способностью пуль соответствую
щие СИБ должны обладать различной защищающей способностью. На основании многолетних исследований поражающего действия различных пуль 
и способов индивидуальной бронезащиты от них боеприпасы стрелкового 
оружия и соответствующие им защитные структуры СИБ удалось разделить 

Рис. 1.1. Пули стрелкового оружия