Обладунки Бога: технології для перспективних засобів індивідуального бронезахисту

18.01.2020

Найважливішим завданням, яке вирішується в рамках американської програми NGSW щодо перспектив стрілецької зброї, має стати забезпечення гарантованого пробиття сучасних і перспективних бронежилетів, що розробляються в провідних збройових лабораторіях світу. Саме тому, доцільно буде ближче познайомитися з «щитом» — технологіями для створення перспективних засобів індивідуального бронезахисту (ЗІБ).

Існує думка, що проблема непробіваємості ЗІБ є надуманою, оскільки при попаданні кулі в противника він або буде настільки травмований, що не зможе далі активно вести бойові дії, або влучання станеться в незахищену бронеелементами частину тіла. Судячи з програми NGSW, ЗС США дану проблему надуманою не вважають. Проблема в тому, що темпи вдосконалення перспективних ЗІБ на даний час істотно випереджають темпи вдосконалення стрілецької зброї. І ЗС США якраз намагаються зробити прорив в напрямку радикального вдосконалення характеристик стрілецької зброї, питання в тому, чи вийде у них це?

Існує два основні шляхи підвищення бронепробиваемости боєприпасу — підвищення його кінетичної енергії і оптимізація форми і матеріалу боєприпасу /сердечника боєприпасу (зрозуміло, що мова не йде про розривні, кумулятивні чи отруєні боєприпаси). І тут ми фактично впираємося у певні обмеження. Куля або сердечник для неї виготовляються з керамічних сплавів високої твердості і досить високої щільності (для підвищення маси), твердіше і міцніше зробити їх можна, щільніше навряд чи. Підвищення маси кулі шляхом збільшення її габаритів також практично неможливо в прийнятних габаритах ручної стрілецької зброї. Залишається підвищення швидкості кулі, наприклад, до гіперзвукової, але і в цьому випадку розробники стикаються з величезними труднощами, у вигляді відсутності необхідних порохів, вкрай швидкого зносу ствола і високої віддачі, що діє на стрільця. Тим часом вдосконалення ЗІБ йде куди інтенсивніше.

З моменту своєї появи засоби індивідуального бронезахисту пройшли чималий шлях від сталевих кірас і пластин до сучасних бронежилетів з арамідної тканини зі вставками з НВМПЕ високої щільності (СВМПЕ) і карбіду бору.

Сталевий нагрудник бійців армії СРСР — провісник бронежилетів

Бронежилет 6Б45 військовослужбовців армії РФ з бронеплита «Граніт 5а» з карбіду бору

Удосконалення ЗІБ йде в напрямках пошуку нових матеріалів, створення композитних і металокерамічних бронеелементов, оптимізації форми і структури елементів СІБ, в тому числі на мікро- і нано- рівні, що дозволить ефективно розсіювати енергію куль і осколків. Опрацьовуються і більш екзотичні рішення, такі як «рідка броня» на основі неньютоновскіх рідин.

Найбільш очевидним шляхом є вдосконалення традиційних конструкцій бронежилетів за рахунок їх посилення вставками з перспективних композитних і керамічних матеріалів. На даний момент велика частина ЗІБ укомплектована вставками з термозміцненої сталі, титану або карбіду кремнію, але поступово йде заміна на бронеелементи з карбіду бору, що мають меншу масу і істотно більшу стійкість.

Бронеелементи з карбіду кремнію компанії ВІРІАЛ

Бронеелементов з карбіду бору виробництва НЕВЗ-Керамікс

Іншим напрямком удосконалення ЗІБ є пошук оптимальної структури розміщення бронеелементов, які, з одного боку, повинні прикривати максимальну площу поверхні тіла бійця, а, з іншого боку, не сковувати його руху. Як приклад, не зовсім вдалої, але цікавої розробки, можна привести бронежилет «Шкура дракона» (Dragon Skin), розроблений американською фірмою Pinnacle Armor. У бронежилеті «Шкура дракона» реалізовано лускате розташування бронеелементов.

Бронежилет «Шкура дракона» компанії Pinnacle Armor

Скріплені диски з карбіду кремнію діаметром 50 мм і товщиною 6,4 мм забезпечують зручність носіння даного ЗІБ за рахунок певної гнучкості конструкції і одночасно досить велику площу поверхні, що захищена. Також дана конструкція забезпечує стійкість до багаторазових влучень куль, випущених зі стрілецької зброї з ближньої відстані — «Шкура дракона» витримує до 40 влучень з пістолета-кулемета Heckler & Koch MP5, гвинтівки M16 або автомата Калашникова (наразі не повідомляється, скільки з чого і яким патроном).

Недоліком бронежилетів «лускатої» схеми розташування бронеелементов є практично повна відсутність захисту бійця від надперешкодних травм, що призводить до тяжких поранень або смерті військовослужбовців навіть без пробиття ЗІБ, внаслідок чого бронежилети даного типу не пройшли випробування армії США. Проте вони використовуються деякими спецпідрозділами та спеціальними службами США.

Аналогічна «луската» схема була реалізована в призначеному для екстремального захисту від холодної зброї радянському бронежилеті ЖЗЛ-74, в якому використовувалися бронеелементи-диски діаметром 50 мм, товщиною 2 мм з алюмінієвого сплаву АБТ-101.

Бронежилет ЖЗЛ-74

Незважаючи на недоліки ЗІБ «Шкура дракона», лускате розташування бронеелементов може бути застосоване в комбінації з іншими типами бронезахисту та амортизуючих елементів для зменшення надперешкодного впливу куль і осколків.

Вчені з американського Університету Райса розробили незвичайну структуру, яка дозволяє об’єкту більш ефективно поглинати кінетичну енергію, ніж монолітний об’єкт з тієї ж сировини. Основою для наукової роботи стало вивчення властивостей сплетінь вуглецевих нанотрубок, що володіють надвисокою щільністю за рахунок особливого розташування ниток, з порожнинами на атомному рівні, що дозволяє їм з високою ефективністю поглинають енергію при зіткненні з іншими об’єктами. Оскільки повністю відтворити таку структуру на нанорівні в промислових масштабах поки не представляється можливим, було прийнято рішення повторити таку структуру в макроразмерах. Дослідники використовували полімерні нитки, які можна роздрукувати на 3D-принтері, але розташували їх по той-же системі, що і нанотрубки, і в підсумку отримали кубики з високою міцністю і стислівістю.

Матеріал, властивості якого більш визначені структурою, ніж матеріалом, може стати перспективним напрямком удосконалення ЗІБ

Щоб перевірити ефективність структури, вчені створили другий об’єкт з того ж матеріалу, але монолітний, і в кожен з них запустили по кулі. У першому випадку куля зупинилася вже на другому шарі, а в другому пройшла набагато глибше і завдала шкоди всьому кубу — він залишився цілим, але покрився тріщинами. Пластиковий куб з особливою структурою також поставили під прес, щоб протестувати його міцність під тиском. Під час експерименту об’єкт стиснувся як мінімум в два рази, але його цілісність не порушилася.

Деформація куба з полімерних ниток

Пінометалл. Говорячи про матеріали, властивості яких багато в чому визначаються структурою, не можна не згадати про розробки в області пінометалла — металевої або композитної металевої піни. Пінометалл може бути створений на основі алюмінію, сталі, титану, інших металів або їх сплавів.

Зразок пінометалла

Фахівці Університету Північної Кароліни (США) розробили сталевий пінометалл зі сталевою ж матрицею, уклавши його між верхнім керамічним шаром і тонким нижнім шаром алюмінію. Пінометалл товщиною менше 2,5 см зупиняє бронебійні кулі калібру 7,62 мм, після яких на задній поверхні залишається лунка менше 8 мм.

Влучення кулі в блок з пінометалла (в підписі до ролика написано про кулю калібру 12,7 мм, але в ряді інших джерел зазначено 7,62 мм)

Крім усього іншого, пінометалева пластина ефективно знижує вплив рентгенівського, гамма- і нейтронного випромінювання, а також захищає від вогню і тепла вдвічі краще звичайного металу.

Інший матеріал з порожнистої структурою — надлегка форма пінометалла, створений компанією HRL Laboratories спільно з Boeing. Новий матеріал в сто разів легше пінопласту — він на 99,99% складається з повітря, але має вкрай високу жорсткість. За твердженням розробників, якщо цим матеріалом покрити яйце, і воно впаде з висоти 25-ти поверхів, щось не розіб’ється. Отриманий пінометалл настільки легкий, що може лежати на кульбабі.

Перспективний матеріал компаній HRL Laboratories і Boeing

У прототипі використовуються порожнисті нікелеві трубки, з’єднані між собою, структура розташування яких схожа на структуру людських кісток, що дозволяє матеріалу поглинати багато енергії. Товщина стінки кожної трубки становить близько 100 нанометрів. Замість нікелю в перспективі можуть застосовуватися інші метали і сплави.

Презентація пінометалла компаній HRL Laboratories і Boeing

Даний матеріал або його аналог, як і вищезгаданий структурований полімерний матеріал, можуть бути розглянуті для застосування в перспективних ЗІБ як елементи легкого і міцного амортизуючого підпору, призначеного для мінімізації пошкоджень, що наносяться організму надперешкодним впливом куль.

Нанотехнології. На пострадянському просторі слово «нанотехнології» неабияк дискредитоване політиками і ЗМІ, його згадували до місця і не до місця, в результаті чого воно вже більше асоціюється з корупцією, ніж з наукою. У той же час нанотехнології, маніпуляція об’єктами на атомному і молекулярному рівні, створення речовин із заданою структурою, здатні зробити переворот в промисловості і технологіях, рівного якому не було в історії людства. Тим, хто цікавиться можна порекомендувати книгу «Машини творення» одного з основоположників нанотехнологій Еріка Дрекслера.

Одним з найбільш перспективних матеріалів, якому пророкують широке застосування в різних галузях промисловості XXI століття, є графен — двовимірна аллотропна модифікація вуглецю, утворена шаром атомів вуглецю товщиною в один атом. Іспанські фахівці розробляють бронежилет, в основі якого лежить графен. Розробки графенової броні стартували на початку двохтисячних років. Результати досліджень визнані багатообіцяючими, у вересні 2018 року розробники перейшли до практичних випробувань. Проект фінансується Європейським оборонним агентством і наразі триває, в роботі беруть участь фахівці британської компанії Cambridge Nanomaterials Technology.

Двовимірний вуглець проти куль

Аналогічні роботи ведуться в США, зокрема Університетом Райса і Університетом Нью-Йорка, де проводилися експерименти по обстрілу листів графена твердими предметами. Бронеелементи з графена очікувано будуть значно міцніше кевларових і будуть комбінуватися з керамічної бронею для отримання найкращого результату. Найбільшу складність представляє виробництво графена в промислових кількостях. Однак, з огляду на потенціал цього матеріалу в різних галузях промисловості, можна не сумніватися, що рішення буде знайдено. За інсайдерською інформацією, що з’явилася на сторінках профільних ЗМІ у грудні 2019 року, компанія Huawei планує на початку 2020 року випустити на ринок смартфон P40 з графеновим акумулятором (з графеновими електродами), що може говорити про суттєві зрушення в галузі промислового виробництва графена.

Наприкінці 2007 року ізраїльські фахівці створили самовідновлюючий матеріал на основі наночасток дисульфіду вольфраму (сіль металу вольфраму і сірководневої кислоти). Наночастки дисульфіду вольфраму являють собою шаруваті фуллер-подібні або нанотубулярні утворення.  Нанотубулени володіють рекордними механічними характеристиками, принципово недосяжними для інших матеріалів, дивовижною гнучкістю і міцністю, що знаходиться на межі міцності ковалентних хімічних зв’язків.

Електронно-мікроскопічне зображення і модель будови багатостінної нанотрубки дисульфідів молібдену і вольфраму

Можливо, що в перспективі бронежилети з наповненням з даного матеріалу можуть перевершити за характеристиками всі інші існуючі та перспективні зразки ЗІБ. Наразі розробки ЗІБ на основі нанотрубок дисульфіду вольфраму знаходяться в стадії лабораторних досліджень через дорожнечу синтезу вихідного матеріалу. Проте, якась міжнародна компанія вже виробляє наночастинки дисульфідів вольфраму і молібдену в достатній кількості за запатентованою технологією.

Велика британська оборонна компанія Bae Systems розробляє геленаповнений бронежилет. У геленаповненому бронежилеті передбачається просочити арамидне волокно неньютонівською рідиною, яка має властивість миттєво твердіти при ударних впливах. Вважається що «рідка броня» є одним з найбільш перспективних напрямків розробки перспективних ЗІБ.

Найпростішу неньютонівську рідину може зробити практично будь-який — досить змішати крохмаль з водою, але з бронежилетами все, звичайно, складніше.

Таким чином, можна зробити висновок про те, що перспективні ЗІБ планується створювати з використанням новітніх технологій, які перебувають на вістрі технічного прогресу. Якщо ж говорити про стрілецьку зброю, то тут такого буйства технологій не спостерігається. Що є причиною цього, відсутність потреби або консерватизм збройової сфери?

Багато проектів перспективних ЗІБ безумовно зайдуть у безвихідь, але частина з них обов’язково «вистрілить», і можливо зробить застарілою всю стрілецьку зброю XX століття, як свого часу застаріли луки, арбалети і дульнозарядна стрілецька зброя. Крім того, бронежилет не єдиний важливий елемент екіпіровки бійця, який здатний радикально підвищити його виживання в бою.

Також ми маємо заважати, які ще елементи екіпіровки підвищать виживаність бійців на полі бою і чому це призведе до збільшення значення стрілецької зброї. У підсумку це дозволить нам зрозуміти, чому необхідно створювати стрілецьку зброю, що забезпечує пробиття існуючих і перспективних ЗІБ, і чому не варто на цьому економити.