О возможностях применения базальтовых материалов в конструкциях средств защиты вооружения, военной и специальной техники

В настоящее время в области защиты средств вооружения, военной и специальной техники имеется ряд конструкторско-технологических подходов. В первом случае применяется сварная бронекапсула соответствующего уровня защищенности с локальными усиливающими накладками в местах расположения ответственных узлов, агрегатов и зон размещения экипажа.

Второй подход заключается в изготовлении пространственного каркаса из высокопрочных конструкционных материалов, с последующей установкой на каркас крупноблочных модульных панелей, имеющих толщину, лимитированную требованиями конструктивного исполнения, и изготовленных с использованием керамик и композитов.

Третий подход заключается в интегрировании многослойной композиционной брони в конструктивно-силовую схему с целью восприятия части действующих силовых нагрузок. Интеграция способствует снижению трудоемкости сборочно-производственных и ремонтных работ.

Применение многослойных композиционных структур позволяет снизить весовые характеристики защитной конструкции за счет следующих факторов:

В рамках подобной структуры возможна реализация различных механизмов поглощения кинетической энергии индентора и его разрушение при взаимодействии со структурными слоями композиции;

Высокотвердые керамики, используемые в лицевых слоях бронеконструкции, эффективно разрушают сердечник высокоскоростного средства поражения;

Волокнистые композиты, применяемые в подложках и опорных слоях, обладают уникальными диссипативными свойствами за счет высокой скорости распространения продольной волны в нитях структуры. Высокие удельные характеристики по прочности и жесткости таких волокон, как арамидное и базальтовое, позволяют эффективно заменять ими опорные слои на основе алюминиевых и титановых сплавов;

Наличие нескольких зон раздела сред приводит к изменению распространения фронтальных и обратных волн в бронеструктуре, что приводит к их частичному наложению и взаимогашению. Реализация данных принципов позволяет снизить итоговую требуемую толщину многослойной композиционной преграды.

Особенностью многослойных композитных структур является возможность использования различных технологий изготовления и весьма большого спектра материалов (рисунок 1).

Рисунок 1

Следует отметить, что на конструктивно-технологическое исполнение решений, связанных с защитной наземной, морской и авиационной техники, большое влияние оказывает стоимостной фактор, что приводит к необходимости одновременного удовлетворения таких показателей, как весовая эффективность, ремонтопригодность, цена. В связи с этим применение базальтовых материалов в виде двунаправленных, биаксиальных и мультиаксиальных тканей с малой круткой волокна является перспективным и актуальным решением. Несмотря на то, что базальтовое волокно имеет более высокую плотность, нежели СВМПЭ и арамидное волокно, стоимость базальтового волокна на порядок ниже при сравнимых показателях предела прочности на разрыв и модуля упругости. Это позволяет использовать базальтовые материалы как в сухом, так и в частично пропитанном виде в качестве опорных и тыльных слоёв многослойных защитных структур. Высокая химическая стойкость базальтового волокна, уникальная термостойкость, хорошие демпфирующие характеристики, стойкость к воздействию ультрафиолетового излучения и соленой воды позволяют применять базальтовые материалы для защиты ответственных узлов и агрегатов морской, наземной, авиационной техники.

Отдельно следует отметить возможность применения базальтопластиков как конструкционных материалов в морской, наземной и авиационной технике. Высокие удельные прочностные и жесткостные характеристики материала, химическая стойкость, термостойкость способствуют расширению внедрения базальтопластиков в различных узлах и агрегатах. Эффективность внедрения базальтопластиков в авиационных конструкциях можно оценить на примере расчета центральной стойки фонаря кабины пилотов вертолета при имитации столкновения стойки с птицей на заданной скорости контакта (рисунок 2).

Рисунок 2. Симуляция столкновения птицы с центральной стойкой фонаря кабины пилотов вертолёта

Применение базальтопластика, имеющего на 20% меньшую плотность в сравнении с применяемым в настоящее время алюминиевым сплавом, позволило снизить массу центральной стойки при сохранении параметров птицестойкости, увеличении степени интегральности конструкции, снижении вероятности поражения экипажа вторичными осколками.

Рисунок 3. Поле напряжений по центральной стойке фонаря

Использование материалов на основе базальтового волокна является целесообразным не только в качестве замещения традиционных конструкционных материалов: сталей и сплавов, — но и при сравнительном анализе применения тканых материалов на основе различных волокон. В качестве примера рассматривались образцы бронезащиты военной техники сухопутного и авиационного назначения, представляющие собой многослойные пакеты из тканей различного состава.

Рисунок 4. Образец бронезащиты для испытаний на пробитие

Согласно проведенным испытаниям, использование базальтовых тканых материалов показывает аналогичные арамидным и гибридным пакетам результаты. Однако стоимость монослоя в сравнении с арамидом меньше в 9–10 раз, при этом базальтовая ткань демонстрирует лучшие показатели огне- и термостойкости. Немаловажное значение для материалов, использующихся в военных приложениях, имеет тот факт, что производство базальтового волокна основывается на применении внутреннего сырья и не зависит от геополитической ситуации в мире.

Достигнутые при проведении расчетов и экспериментальных исследований результаты позволяют сделать вывод о перспективности применения базальтовых материалов для задач защиты конструкций наземной, морской и авиационной техники, однако стоит учитывать необходимость проведения комплексных научных исследований и опытно-конструкторских работ для получения оптимальных параметров и полного соответствия заданным требованиям безопасности.