Velmi vysoká úroveň ochrany hlídkového vozu British Foxhound je výsledkem použití super drahých kompozitních materiálů pro chráněnou kabinu posádky. Ale ne všichni uživatelé jsou schopni nebo ochotni podporovat vysoké náklady na exotické materiály brnění.
Nanotechnologie nabízí lákavé vyhlídky na exotické nové materiály, ale ukazuje se, že některé z nejvýznamnějších pokroků v dnešních inovativních řešeních pancéřování ve skutečnosti pocházejí ze zavedení technologie do hromadné výroby, často s použitím tradičnějších materiálů.
Realita poslední dekády převrátila předpoklady vojenských plánovačů v polovině 90. let do té míry, že rychlý růst poptávky po lehkých, vzduchem přepravitelných obrněných formacích, který se objevil po studené válce, se nyní jeví jako čirá fantazie.
Rakety a granáty s raketovým pohonem, které v posledním desetiletí vážně sužovaly izraelské formace, vedly k vývoji 70tunové Namer BMP, zatímco zkušenosti americké armády v Iráku a Afghánistánu vedly k plánům nahradit Bradley BMP ( bojová hmotnost do 33 tun) s pozemním bojovým vozidlem „jako slon“ Ground Combat Vehicle, které může vážit až 84 tun. Významnou část této hmoty tvoří pancéřování a ochranné systémy, co nám tedy slibují moderní, lehké zázračné materiály?
Část dramatického nárůstu hmotnosti je tedy způsobena skutečností, že podle definice jediným způsobem, jak zvýšit ochranu stávajících vozidel, je instalace pancéřování (nákladní list). Částečně za to mohou i fyzikální zákony a schopnost těžkých strojů poradit si s výbuchem. Podstatný vliv však mají ekonomické a cenové problémy.
Zástupce švýcarské společnosti RUAG řekl, že „Pokud chcete ochránit celé vozidlo před celou řadou hrozeb – díváte se na kinetickou energii, hrozby typu RPG a bomby u silnice, to znamená, že se musíte vypořádat s výbuchy a vysokým -rychlostní fragmenty - pak by měla být ochrana proti těmto hrozbám integrována do základního stroje.
„Se snižováním hmotnosti toho moc dělat nemůžete, dokud se nevrátíte k rýsovacímu prknu a neřeknete: ‚Jsem spokojený se základním strojem, který je v podstatě nechráněný, ale je konstrukčně schopný nést jakoukoli ochranu, která je v současné době v divadle potřebná. ". Rozsáhlá redukce hmoty díky inovacím v univerzálním brnění není dobrý nápad a implementací takového řešení hromadný problém prostě nevyřešíte.
Dodal však, že „držíme palce, spolupracujeme s výzkumnými ústavy a univerzitami a sledujeme, jaké kroky se podnikají, a pokud uvidíme uplatnění, pak budeme první a budeme s nimi spolupracovat na spojení materiálů a požadavků“ .
Ve skutečnosti jsou výzkumné a akademické instituce úrodnou půdou. V prosinci 2012 společnost Lockheed Martin oznámila, že uzavřela partnerství s University of Surrey v jižní Anglii s cílem používat ve svých zařízeních metodu vyvinutou univerzitou, která zlepšuje vazebné síly mezi hliníkem a keramikou z karbidu křemíku a kompozitními podklady (substráty). a tím se vyhne nevýhodám běžné lehké keramiky. Lockheed Martin ve svém prohlášení uvedl, že počáteční testy ukázaly, že kompozitní keramický pancéřový panel „zůstal nedotčený po mnoha zásahech“ od 15,5 mm zápalných střel.
Mezitím došlo k velmi zřejmému přechodu od hliníkového pancéřování používaného na mnoha vozidlech, jako je British Warrior a rozšířené obrněné transportéry řady M113, k ocelovému pancéřování vozidel, která jsou v současnosti vyráběna, jako je Nexter VBCI ( Vehicule Blinde de Combat d'Infanterie - obrněné bojové vozidlo pěchoty).
Tvrdost oceli se za poslední desetiletí výrazně zvýšila díky moderním výrobním technikám, ale kompozitní materiály přesto hrají nepopiratelně zásadní roli, zejména tam, kde chtějí konstruktéři a inženýři ušetřit hmotu. Inženýři mohou také míchat aramidová vlákna, keramiku, grafit a další materiály, aby odpovídaly požadavkům na výkon pancíře.
To však obvykle výrazně zvyšuje náklady, což není vhodné pro všechny uživatele.
Například Ocelot společnosti General Dynamics Force Protection Europe (vyvinutý v rámci britského programu Foxhound Light Protected Patrol Vehicle) používá speciální kompozitní materiály v chráněné kapsli posádky, které nabízejí ohromující úroveň ochrany, ale za báječnou cenu. Přesná úroveň ochrany je klasifikována, ale obecně je popsána jako ekvivalentní úrovni mastifa vážícího více než 23,5 tuny, ačkoli Ocelot váží méně než třetinu této hmotnosti. Náklady na jeden stroj s takovými vlastnostmi se odhadují na asi 1,3 milionu dolarů, zatímco náklady na standardní stroj TVD se zvyšují téměř o 50 % díky integraci vládou dodaného zařízení.
U dobře chráněných vozidel vyrobených v malých počtech s použitím exotických materiálů to nezní příliš špatně, ale u vozidel, která měla původně nahradit poměrně jednoduchý a levný Land Rover Snatch, je to neúměrně drahé.
Program taktických vozidel JLTV (Joint Light Tactical Vehicle) americké armády má za cíl zhruba ekvivalentní úroveň ochrany, ale za mnohem dostupnější cenu 300000 XNUMX dolarů za kus (ačkoli stále vysoká). Je jasné, že Force Protection hledá alternativní dodavatele, aby snížila náklady na projektový stroj Ocelot na hodnotu blízkou této hodnotě.
Po ostřelování modulu SidePRO-ATR se známkami několika zásahů granátem s raketovým pohonem. Testovací místo Oxenboden ve Švýcarsku
Hodnota oceli
V době napjatých rozpočtů roste povědomí o pragmatismu provozování strojů s ocelovým trupem, které se spoléhají na překryvné fólie z exotičtějších materiálů a systémy aktivní ochrany při nasazení ve složitějších kinech při vyšších úrovních ohrožení.
A i v takových případech má ocel v přídavných pancéřových systémech své fanoušky. Žádný pozorovatel obranných technologií si nemohl nevšimnout obrovského nárůstu popularity brnění proti RPG v posledním desetiletí. A co víc, za poslední tři až čtyři roky jsme byli svědky vzestupu tkaných systémů, jako je Tarian od AMSAFE, které nabízejí lehčí, méně objemnou a flexibilnější ochranu než tradiční sklopné zástěny, což může značně zvětšit velikost stroje, ztěžující manévrování.úzké uličky.
Někteří vývojáři však zůstávají věrní ocelovým řešením. Síť SidePRO-LASSO od RUAG je například pokusem nabídnout lehké řešení při zachování výhod ocelové konstrukce. Mluvčí společnosti řekl: „Pokud se podíváte na vlastnosti kompozitních materiálů, jejich nevýhody jsou ve srovnání s běžnou ocelí příliš významné. Při pohledu na životnost získáte limity na kompozity zhruba od jednoho a půl do dvou let, zatímco ocel může vydržet 20 let a stále skvěle fungovat. Je méně citlivá na vnější podmínky. Kompozitní materiály budou hořet, pokud dostanou Molotovův koktejl. Ocel se nedeformuje, nezávisí příliš na nízkých teplotách... Proto od samého začátku používáme ocel.“
„Pro kinetické a jiné typy hrozeb také používáme kompozity. Co se týče hmoty oceli, zde není příliš prostoru pro kreativitu. Pokud má vozidlo hmotnostní limity, měli byste se poohlédnout po jiných variantách než z oceli. Musíte se podívat na keramiku, aramidové materiály a celou řadu dostupných materiálů. RUAG nemá kapacitu na velkosériovou výrobu kompozitních materiálů, proto nám dává smysl kupovat hotové.“
„Řešení, která si nemůžeme jednoduše koupit, vyrábíme sami. Například systém ochrany střechy používá pryž speciálně navrženou pro tento účel a vyrábíme ji sami, ale nakupujeme aramidy a kompozity ze skleněných vláken a poté je spojujeme do jednoho systému pro sadu na ochranu střechy.“
Dodal: „Vznik skutečných nanomateriálů radikálně změní situaci a vy si pak můžete vytvořit vlastní cestu k dokonalému materiálu namísto výběru z již dostupných materiálů. Ale dokud se nedostane do sériové výroby, nevidím v budoucnu žádné velké změny.“
Jankel je dalším zastáncem ocelového brnění v segmentu trhu střední hodnoty. Začala používat technologii tváření za tepla – v podstatě lisování a současně kalení oceli – k výrobě vysoce pevných ocelových pancéřových dílů s velmi přesnými tolerancemi. Hlavním produktem společnosti Jankel, který využívá tuto technologii, je obrněná Toyota 200 Land Cruiser, ale společnost vyvinula také 8% tepelně tvarovaný Jeep JXNUMX. "Odstranili jsme konvenční trup a nahradili jej zcela pancéřováním," řekl Daniel Crosby, ředitel rozvoje obchodu ve společnosti Jankel.
Tento proces je velmi nákladný, protože k výrobě panelů je zapotřebí speciální nářadí, ale v hromadné výrobě je nákladově efektivní (v daném okamžiku má Jankel ve výrobě 60 Land Cruiserů plus zásoby na nákup vozidla ze skladu). Protože technologie tepelného tvarování je velmi přesná, lze ji použít k výrobě velkých, složitých panelů, čímž se sníží počet dílů potřebných pro dané vozidlo. Například obrněný Land Cruiser upravený Jankelem vyžaduje pouze 36 panelů, což je obrovská redukce oproti více než 200 panelům vyrobeným z tradičnějších pancéřových plátů.
Crosby vysvětlil, že to nabízí řadu ochranných výhod, nejen kvůli typu použité oceli (standardní třída oceli je 500 Br), která má lepší vlastnosti proti výbuchu, ale také kvůli menšímu počtu panelů. To znamená, že Jankel může vytvořit atraktivnější konečný produkt tím, že pouzdro bude tužší, pevnější a lehčí.
„Boční stěna stroje je z jednoho kusu,“ dodal, „což poskytuje zlepšenou boční ochranu proti výbuchu a zároveň eliminuje potřebu svařovat další přeplátované spoje a chrániče proti střepinám, které by jinak mohly prodloužit výrobní dobu a oslabit konstrukci. Přesné tolerance také znamenají, že nové pancéřové panely se snadno nasazují, což šetří ještě více času a peněz při opětovné montáži vozidla.“
V zásadě však Jankel prodává velkou výhodu tím, že nabízí větší ochranu za stejnou cenu. "V současné době je silným podnětem cena." Uznal, že zatímco vojenští uživatelé tepelně tvarovaných vozidel mají často vysokou úroveň integrace systémů a dodatečného vybavení, „základní vozidlo je ve skutečnosti považováno za masový produkt, takže snaha o některé drahé kompozitní materiály s cílem zvýšit užitečné zatížení o něco více u tohoto typu stroje to nedává smysl, protože jsme již spokojeni s nosností, kterou máme.“
Společnost Jankel používá kompozitní materiály v jiných produktových řadách, přičemž se snaží spojit vlastnosti různých materiálů v jediném produktu se silnými soudržnými vazbami. "Existuje nanotechnologie a v některých oblastech existuje pohyb, ale v dnešní době je často nejúčinnější zlepšit stávající systémy."
„Pokud někdo dokáže vylepšit vlákno a přijít s něčím, co je o něco lepší a co mi ušetří 0,02 kilogramu ve srovnání s použitím něčeho hotového, co je plně otestováno a nasazeno, pak by to měl být velký krok vpřed a to velmi cenné pro kupující. Neustále nám volají lidé, kteří říkají, že mají nejnovější a nejlepší věc, ale když se podíváme pozorně, ukáže se, že vytvořili průmyslové řešení, které je prakticky neprodejné.
Stejného názoru je i Nir Kahn, hlavní designér v oddělení designu vozidel Plasan. Řekl, že „technologie obecně dosáhla bodu, kdy již není otázkou, co lze udělat, ale co je komerčně dostupné a jaký je nejúčinnější způsob, jak něco udělat“.
A zde pro mnoho inženýrů a vývojářů vstupuje do hry skutečná inovace, snaží se zavádět exotické metody a materiály do hromadné výroby, aby „demokratizovali“ jejich další aplikaci.
Jankelova metoda tepelného tvarování nabízí řadu výhod v oblasti ceny, pevnosti a výkonu. Skutečně komerčně konkurenceschopný je ale pouze u sériově vyráběných strojů kvůli vysokým počátečním nákladům.
Uhlíkové nanotrubice jsou oslavovány jako velká naděje pancéřových materiálů, dokážou vést teplo a elektřinu, a tak je možné do těchto materiálů zabudovat různé senzory a energetické struktury v neuvěřitelně tenkých formách. Ukázka tloušťky nanotrubice, na fotce je ohnuta do smyčky na lidském vlasu
Nové metody přicházejí do sériové výroby
Společnost Plasan US Defense Composite Structures (PLUS DCS) se sídlem v Bostonu je v čele technologie výroby kompozitů, protože vyvinula metodu, která byla nazvána „pultruze“, kterou Kahn popisuje jako „kompozitní ekvivalent extruze“. Téměř jakýkoli tvar, který vytlačíte (vytlačíte na lisu) z hliníku, lze vytvořit pultruzí. Jakýkoli tvar s konstantním průřezem lze pultrudovat z jakéhokoli typu kompozitu - grafitu, sklolaminátu, kevlaru - a ve skutečnosti můžete do stejného pultrudovaného dílu míchat různá vlákna. Pokud jde o pancéřování, jednou z výhod je schopnost pultrudovat vrstvy kompozitních materiálů různé struktury v jednom kontinuálním procesu. Velkou výhodou tohoto procesu je, že neutralizuje většinu výrobních nákladů. Významnou část ceny dílu tvoří spíše náklady na materiál než náklady na proces.“
Řekl, že zatímco pultruze se běžně komerčně používá pro velmi malé části „jako jsou hnací hřídele dálkově ovládaných vozidel“, technologie Plasan se ukázala být zvláště vhodná pro pancéřování námořních plavidel, kde jsou obvykle velké plochy, které jsou pokryty plochými panely. „Pultruze se nejčastěji používá k výrobě trámů a trámů a podobných geometrií, ale plochý panel můžete pultrudovat stejně jako při plochém lisování. Tato schopnost kombinovat mnoho materiálů do jednoho kusu je velmi efektivní pro hromadnou výrobu kompozitních materiálů, zatímco další výhodou je, že tato technika nevyžaduje velkou plochu, kterou autoklávy obvykle vyžadují.
Další dceřinou společností Plasanu je Tortech, společný podnik s University of Cambridge. Chtějí najít způsob, jak hromadně vyrábět uhlovodíkové nanotrubičky CNT (carbon nanotube), které mnozí nazývají otevřenými dveřmi do říše skutečných inovací v oblasti pancéřových materiálů. Pan Kang, který je zastáncem tohoto směru, uvedl, že „vlastnosti samotných CNT jsou velmi, velmi slibné, bylo pro ně vynalezeno již mnoho aplikací. Tato vlákna jsou pevnější než uhlíková vlákna, která jsou již tak docela pevná.“
CNT jsou navíc elektricky vodivé, což znamená, že je lze použít v bateriích a chytrých materiálech. „Začleněním CNT do současných vícevrstvých materiálů můžete mít materiály, které mohou komunikovat. Senzory světelných drátů můžete zabudovat do materiálů brnění." Dodal, že nová výrobní metoda, na které Tortech pracuje, umožní společnosti v příštích několika letech vytvářet CNT, které cenově konkurují přímým uhlíkovým vláknům.
Jedním ze současných hlavních výrobců CNT je Nanocomp Technologies z New Hampshire. Po oznámení Ministerstva obrany USA o významu těchto materiálů pro obranu státu začala tato společnost (zatím jediná) dodávat do struktur tohoto resortu vláknité a plošné materiály na bázi CNT v souladu s Obranou USA. Industries Act Revize III z roku 2010.
V červnu 2012 společnost také vstoupila do strategického partnerství se společností DuPont s cílem využít dobrou pevnost v tahu a nižší hmotnost nanotrubic CNT spolu s jejich elektrickými, tepelnými a strukturálními vlastnostmi pro systémy balistické ochrany jejich vetkáním do jiných materiálů. Při použití v konfiguraci ochrany těla by například CNT mohly být integrovány do stávajících tkaných látek, propojovaly vestavěnou elektroniku, sloužily jako datová dálnice a systém monitorování stavu nositele a systém vytápění.
Mluvčí společnosti řekl, že skutečná síla Nanocompu spočívá v jeho schopnosti vyrábět CNT ve velkých objemech. „S našimi partnery se vyvíjíme, abychom dosáhli úrovně technologické připravenosti, kterou zákazníci potřebují, a také musíme být schopni dodávat produkty v požadovaných objemech. Potřebujete vrtulník, který obletí budovu, ve které se nacházíme, a pak si uděláte představu o rozsahu naší výroby. Není zde ani náznak nano. Nacházíme se na 100000 12 mXNUMX. stop, z nichž třetinu v současnosti zabírá výroba. V příštích XNUMX měsících uvažujeme o rozšíření o další třetinu a za dva tři roky převezmeme celou budovu pro naši výrobu.
Kromě formy CNT plechu, která je pro ochranné systémy obzvláště zajímavá, vyrábí společnost také vláknité struktury. Výrobci kabelů jimi nahrazují měděné dráty, ale mohou sloužit i jako výztužný prvek v některých řešeních ochrany. CNT je k dispozici také ve formě pásky, jako stínící materiál se omotává kolem kabelů.
Vývoj materiálu
Partner společnosti Nanocomp, společnost DuPont, je nejznámějším jménem v oblasti měkkých ochranných materiálů. Poté, co vyvinula kevlar, který se v povědomí veřejnosti stal běžným pojmem, nezůstala jen u toho. Začala se zajímat o technologii CNT a v červenci 2012 získala Tensylon High Performance Materials od BAE Systems se záměrem posílit svou přítomnost v řešeních ochrany proti tahu. Tensylon vyrábí polyethylenové pásky s ultravysokou molekulovou hmotností pro balistické vložky do neprůstřelných vest, štítů a panelů vozidel. Tato dohoda podporuje zdravou konkurenci s ostatními výrobci v oboru a velmi reálný příliv inovací.
Vývoj materiálů je zcela zřejmý, vývojáři neustále upravují a zušlechťují směsi, látkové materiály a vlákna, aby jejich vlastnosti odpovídaly předloženým požadavkům. Například v únoru 2013 na výstavě IDEX v Abu Dhabi TenCate Advanced Armor ukázal nový balistický štít Targa-Light CX. Tento štít má certifikaci NIJ Level IV a s hmotností 17,2 kg je TenCate nejlehčím štítem na trhu ve svém segmentu.
V únoru 2013 také britská Defence Science and Technology Laboratory DSTL zahájila projekt hledání nových chytrých materiálů pro britské ministerstvo obrany. V rámci tohoto projektu hledá Vědecké a technologické centrum pro materiály a struktury při DSTL nové materiály a příležitosti k vytvoření mikro- a nanomateriálů, které mohou reagovat na vnější vlivy, a jak organizace říká, „s touhou po revoluci spíše než evoluce."
Mezi oblasti zvláštního zájmu patří inteligentní povlaky, které ukazují a varují před poškozením, inteligentní tkaniny s textilními nitěmi a adaptivními, „morfujícími“ strukturami, které mohou poskytnout lepší výkon.
Zdá se, že to odráží Kahnův pohled na vznikající technologie. „Nyní si neklademe otázku, co je v této oblasti možné a co bychom měli dělat? Když začnete sbírat materiály atom po atomu a získáte v podstatě to, co chcete získat, neexistují žádné další hranice.“
„Takže ve střednědobém až dlouhodobém horizontu rozhodně vidím materiály, které mají vlastnosti, které lze vidět pouze ve sci-fi filmech, jako je samotvarování Roboti z filmu Terminátor 2? V současné době je velmi málo základů vědecké fyziky, o kterých by se dalo říci, že „to nelze realizovat“. Skutečnou otázkou je, zda je to prodejné a nákladově efektivní?
To je zvláště použitelné pro výrobu brnění, kde kombinování známých a dokonce i nových materiálů do vrstvených struktur zůstává vysoce efektivním způsobem prolínání charakteristik brnění. "V brnění je tvorba vrstev stále podstatou všeho," řekl Kahn. "Když se projektil pohybuje materiálem, chcete, aby jedna událost nastala při prvním dopadu, další událost, když se pohybuje uvnitř, a třetí vzorec událostí, když opustí druhou stranu."
„I když můžete vytvořit monolitický materiál (pro nedostatek lepšího termínu), který mění své vlastnosti, když se jím pohybujete, může být nákladově efektivnější formovat materiál ve vrstvách, což vám dá vlastnosti, které hledáte. Domnívám se, že tato situace bude v dohledné době přetrvávat ne proto, že by to nebylo možné, ale spíše z důvodu vyšší ekonomické efektivity tohoto způsobu získávání vrstvených materiálů.
V listopadu 2012 bylo oznámeno sdružení Industry and Academia Alliance, které zahrnuje AIGIS Blast protection, BAE Systems, MIRA, Permali Gloucester, Sigmatex, TPS a University of Nottingham. Toto sdružení prozkoumá potenciál nákladově efektivních vícevrstvých a „multimateriálových“ struktur, které poskytují zlepšenou lehkou ochranu proti minám a výbuchům vzduchu a snižují pravděpodobnost odštípnutí a odlupování materiálu.
Tento tým zahájil výzkum pod označením LiMBS (Lightweight Material & Structures for Blast and Ballistic Survivability - lehké materiály a struktury pro výbušnou a balistickou přežití). Zvláštní pozornost je věnována vývoji materiálů s plošnou hustotou výrazně nižší než má homogenní válcovaný pancíř, ale se stejnou úrovní výbušné a balistické ochrany. Tyto materiály musí být také nákladově efektivní na výrobu a opravy, vhodné pro dodatečné vybavení a úpravy a musí mít snížené odlupování.
Počáteční výzkum zahrnuje testování základního pancíře Armox 370T, hliníku, uhlíkových vláken, skleněných vláken, aramidových vláken a Tabreshield.
Tortech, společný podnik Plasanu a University of Cambridge, vyvíjí metodu hromadné výroby uhlíkových nanotrubic, které konkurují ceně standardních uhlíkových vláken.
Použité materiály:
Jane's International Defense Review, duben 2013
http://www.jankel.com
http://www.monch.com
http://www.plasansasa.com