Керамическая броня

Россия – одна из первых стран в мире, где еще в середине 70-х годов прошлого века начались систематические исследования по броневой керамике. Тогда по результатам опробования самых разнообразных керамических и металлокерамических материалов отечественные специалисты пришли к выводу, что по комплексу физико-механических и технологических параметров наиболее перспективными для практического применения являются корундовая, карбидокремниевая и карбидоборная керамика.

Рожденная в СССР

Изготавливавшиеся Лужским абразивным заводом плитки из карбида бора, которые НИИ Стали применял в бронежилетах типа «Улей» – в вариантах 4 и 15-й серий 6Б5 (Ж-86) – для 40-й армии Ограниченного контингента советских войск в Республике Афганистан (ОКСВА) в период 1979–1989 годов, обладали настолько высокими броневыми свойствами, что даже сейчас, по прошествии более 30 лет не только Россия, но и наиболее продвинутые мировые производители броневой керамики еще не приблизились вплотную к ним.

Справедливости ради следует отметить, что в корундовой и карбидокремниевой керамике успехи в ту пору были существенно скромнее. В 1980 году в России (НИИ Стали) уже была отработана в опытном плане – как противовес английской броне «Чобхэм» – защита лобовых узлов танков. Но ее сделало морально устаревшей появление динамической защиты, тем более что вопросы, связанные с конструктивной живучестью керамической брони, все равно оставались.

В отношении средств индивидуальной защиты (СИЗ) и легких боевых машин актуальность керамической брони не только не снизилась, но и по ряду причин возросла, поэтому исследования в этой области ведут практически все разработчики «легкой брони». К сожалению, так называемая перестройка отбросила нашу промышленность в плане производства и совершенствования отечественной броневой керамики фактически к исходному уровню 70-х годов.

Требования, которые предъявляются сегодня основными заказчиками (Минобороны, ФСБ, МВД), четко свидетельствуют о том, что создание легких бронеструктур для средств индивидуальной бронезащиты (СИБ) высоких уровней (5–6а) не представляется возможным без использования керамических материалов. При этом главным требованием силовых структур является минимальная масса. И оно более жесткое, чем для легкой бронетехники. Поэтому из применяемых в бронезащите керамических материалов разработчику СИБ следует выбирать наиболее легкие – карбид кремния и карбид бора.

Поможет полиэтилен

За последние годы в ОАО «НИИ стали» были разработаны защитные структуры 6а класса с поверхностной плотностью 36–38 килограммов на квадратный метр на основе карбида бора производства ВНИИЭФа (г. Саров) на подложке из высокомолекулярного полиэтилена. ОНПП «Технология» при участии ОАО «НИИ стали» удалось создать защитные структуры 6а класса с поверхностной плотностью 39–40 килограммов на квадратный метр на основе карбида кремния (тоже на подложке из сверхвысокомолекулярного полиэтилена – СВМПЭ).

Эти структуры имеют неоспоримое преимущество по массе по сравнению с бронеструктурами на основе корунда (46–50 килограммов на квадратный метр) и стальными бронеэлементами, но обладают двумя недостатками: низкой живучестью и высокой стоимостью.

Можно добиться увеличения живучести органокерамических бронеэлементов до одного выстрела на один квадратный дециметр за счет выполнения их наборными из небольших плиток. Пока в бронепанель с подложкой из СВМПЭ площадью пять-семь квадратных дециметров можно гарантировать один-два выстрела, но не более. Не случайно зарубежные стандарты пулестойкости предполагают проведение испытаний бронебойной винтовочной пулей только одним выстрелом в защитную структуру. Тем не менее, достижение живучести до трех выстрелов в квадратный дециметр остается одной из главных задач, которую стремятся решить ведущие российские разработчики СИЗ.

Высокую живучесть можно получить путем применения дискретного керамического слоя, то есть слоя, состоящего из небольших цилиндриков. Такие бронепанели изготавливает, например, фирма TenCate Advanced Armor и другие компании. Однако эта структура скорее соответствует применению в защите военной техники. В любом случае при прочих равных условиях они примерно на десять процентов тяжелее панелей из плоской керамики.

Как говорилось выше, в качестве подложки под керамику применяются прессованные панели из высокомолекулярного полиэтилена (типа Dyneema или Spectra) как наиболее легкого энергоемкого материала. Однако он изготавливается только за рубежом. Следовало бы и в России наладить собственное производство волокон, а не только заниматься прессованием панелей из импортного сырья. Возможно применение и композитных материалов на основе отечественных арамидных тканей, но масса и стоимость их в значительной степени превышают аналогичные показатели полиэтиленовых панелей.

Расчёты и опыт свидетельствуют

НИИ Стали сегодня вправе гордиться разработкой экспериментально-расчетных методик оценки броневых свойств керамики, основанных на определении времени задержки проникания пули в керамическую пластину, позволяющих делать выбор в пользу того или иного материала. Применяются инженерные и численные методы расчетной оценки пулестойкости защитных структур с лицевым керамическим слоем.

Что касается легкобронированной техники, то требования, предъявляемые к ее защите, кардинально превышают возможности реализации их классическим способом при помощи монолитных броневых сталей в задаваемых габаритно-массовых ограничениях. Использование керамических бронеэлементов в защитных структурах способствует в ряде случаев существенному снижению суммарного веса защитных конструкций.

Опыт иностранных коллег и результаты наших собственных исследований свидетельствуют: минимальными весовыми характеристиками обладают панели сплошной (плиточной) компоновки. Данное техническое решение применено на многих известных образцах бронетанкового вооружения и техники (БТВТ) и использовалось при защите машин семейств «Медведь» и «Тайфун».

Вес бронепанелей 6а класса, собранных на основе плоскопараллельных пластин отечественного производства (детали кабины автомобиля «Медведь»), составил 72 килограмм-силы на квадратный метр, что значительно легче монолитной стальной брони (126 килограмм-сил на квадратный метр) и несколько легче лучших разнесенных стальных бронеконструкций (78–102).

При этом выяснилось, что эффект от установки керамических панелей может быть достигнут при наличии больших площадей бронирования, что не всегда реализуемо на конкретных образцах БТВТ и автомобильной техники (АТ), так как возникают вопросы защиты стыков и сопряжений.

Поскольку защитные свойства плоских керамических пластин несколько снижаются вблизи их стыков (особенно вблизи угловых сочленений соседних элементов), дополнительной технологической проблемой сборки панелей сплошной компоновки является их локальное усиление в требуемых зонах.

Что надо предпринять

Дальнейшее улучшение характеристик композитной брони на основе керамических бронеэлементов применительно к объектам БТВТ должно проводиться по следующим основным направлениям.

Повышение качества бронекерамики. Последние два-три года НИИ Стали тесно сотрудничает с производителями бронекерамики в России – ОАО «НЭВЗ-Союз», ЗАО «Алокс», ООО «Вириал» в плане отработки и улучшения качества бронекерамики. Совместными усилиями удалось значительно улучшить ее качество и практически довести до уровня западных образцов.

Отработка рациональных конструктивных решений. Как уже было сказано, набор керамических плиток обладает особыми зонами вблизи их стыков, которые имеют пониженные баллистические характеристики. С целью выравнивания свойств панели разработана конструкция «профилированной» бронеплитки. Данные панели установлены на автомобиль «Каратель» и успешно прошли предварительные испытания. Вес панели 6а класса составил 60 килограмм-сил на квадратный метр.

Кроме того, отработаны структуры на основе корунда с подложкой из СВМПЭ и арамидов с весом 45 килограмм-сил на квадратный метр для панели 6а класса. Однако применение таких панелей в объектах AT и БТВТ ограничено в связи с наличием дополнительных требований (например, стойкость при боковом подрыве взрывного устройства).

Для бронетехники типа БМП и БТР характерно повышенное огневое воздействие, так что предельная плотность поражений, которую может обеспечить керамическая панель, собранная по принципу «сплошного бронирования», может быть недостаточной. Решение данной проблемы возможно только при использовании дискретных керамических сборок из шестигранных либо цилиндрических элементов, соразмерных средству поражения.

Дискретная компоновка обеспечивает максимальную живучесть композитной бронепанели, предельная плотность поражения которой приближается к аналогичному параметру металлических бронеконструкций.

Однако весовые характеристики дискретных керамических бронекомпозиций с основой в виде алюминиевого или стального броневого листа на пять-десять процентов превышают аналогичные параметры керамических панелей сплошной компоновки. Преимуществом панелей из дискретной керамики является также отсутствие необходимости ее приклейки к подложке. Данные бронепанели установлены и испытаны на опытных образцах БРДМ-3 и БМД-4. В настоящее время такие панели применяются в рамках ОКР «Тайфун», «Бумеранг».

За рубежом дешевле

Как показали исследования НИИ Стали, защита от средств поражения на основе сплавов вольфрама требует нестандартных конструктивных решений. Значимый эффект в данном случае имеет место лишь при использовании элементов из карбида кремния. Так, применение керамических блоков из реакционноспеченого карбида кремния при защите от подкалиберных снарядов малокалиберных автоматических пушек с сердечником из ВНЖ позволяет снизить вес преграды на 25–30 процентов.

Использование керамики является перспективным, но не универсальным средством, повышающим эффективность броневой защиты с учетом всех требований заказчиков. Современные особенности защиты бронетехники диктуют жесткие условия к разработчикам бронеструктур, к тому же в каждом случае приходится ориентироваться на специфику требований заказчиков по каждой конкретной ОКР.

Вместе с тем для решения поставленных задач необходим широкий спектр защитных структур с возможностью использования в композициях керамических элементов, имеющих максимально широкий спектр материалов и геометрий. Ввиду отставания отечественного серийного производства бронекерамики нужно совершить технологический прорыв в данном направлении, для чего, несомненно, понадобятся целевые финансовые вложения.

При сопоставлении стоимости керамических бронеэлементов различных производителей отмечаются следующие тенденции: за границей цена корунда среднего качества колеблется от 10 долларов за килограмм (Китай) до 20 (Германия – фирма Barat, Италия – фирма Bitossi), в России – от 17 до 35.

Серийный выпуск карбидокремниевых керамических бронеэлементов в нашей стране пока возможен только в Санкт-Петербурге (ООО «Вириал») по цене 150–180 долларов США за килограмм. На Западе изделия аналогичного качества предлагают за 100–150 долларов. Очевидно, что увеличение объема заказов способно снизить цену отечественной бронекерамики до приемлемого уровня.

Итак, очевидно

1. Хотя керамическая броня для СИЗ и легкой бронетехники не является абсолютной панацеей, тем не менее ее удельный вес в современной и перспективной защите все равно будет оставаться значительным.

2. Для эффективной практической адаптации броневой керамики к защите военной техники обязательным для отечественной промышленности наряду с получением разного рода керамики с высокими характеристиками, не уступающими таковым у лучших мировых производителей, необходим выпуск изделий широкого диапазона размеров и геометрий.

3. Нужна постановка новых НИОКР по дальнейшему повышению баллистической стойкости керамических материалов и увеличению их живучести при многократных попаданиях.

4. Темпам восстановления отечественной промышленности по производству керамики надлежит придать максимальное ускорение по причине ожидаемого с 2015 года резкого увеличения со стороны государства заказа нового поколения военной техники на базе вновь разрабатываемых боевых платформ.

5. Обязательным условием для успешной конкуренции с западными производителями является (вместе с резким увеличением объема выпускаемой продукции) снижение стоимости керамики до приемлемых уровней.

6. Существует настоятельная потребность в принятии национальной целевой программы по масштабному развертыванию исследовательских работ и производственных мощностей по выпуску керамики.

/Иван Беспалов, начальник отдела ОАО «НИИ Стали», к.т.н.;
Валерий Григорян, директор по науке ОАО «НИИ Стали», д.т.н., профессор;
Алексей Карпов, ведущий научный сотрудник ОАО «НИИ Стали», к.т.н., vpk-news.ru/