Mobile additional armor protection for a truck

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

В военной науке и военном деле боевая техника разрабатывается под задачи в зависимости от предполагаемого или вероятного противника и вооружения, которым он может быть вооружён, с учётом научно-технических достижений. Таким образом, вырабатываются тактико-технические характеристики военных автомобилей и специальной техники, учитывающие необходимые требования к противоминной защите, к вооружению, к составу экипажей и организационно-штатной структуре подразделений, применяющих данную технику, а также к бронированию. Из-за близкого разрыва артиллерийского снаряда осколки поражают как кабину, так и кузов бронированного автомобиля.

Рис. 1. Изрешеченный осколками бронированный КамАЗ-5350.

Fig. 1. The fragment-riddled armored KamAZ-5350.

 

На рис. 1 представлена фотография КамАЗа с бронекапсулами в кабине и кузове. Отчётливо видны множественные осколочные поражения передней проекции, которая наиболее подвержена разрушению огневыми средствами, а именно, двигателя в связи с отсутствием защиты. Мощные лобовые стеклопакеты удержали осколки. Поражения крыши автомобиля, двигающегося в колонне ВСУ для отражения десанта российских ВДВ в Гостомеле от крупнокалиберной пушки российского вертолёта, показаны на рис. 2.

 

Рис. 2. Поражение грузовика ВСУ российским вертолётом.

Fig. 2. The Armed Forces of Ukraine’s truck hit by a Russian helicopter.

 

Анализ данных примеров из зоны проведения специальной военной операции (СВО), а также материалов за 2022 г. и начало 2023 г. показал необходимость разработки и внедрения дополнительной защиты и дополнительного бронирования, которые в настоящее время применяются военнослужащими в инициативном порядке¹.

Мелкие осколки от снарядов и мин может, как правило, остановить «кустарная» защита, а применение дополнительной защиты, бронирование отсека двигателя, бензобака, кабины поможет снизить урон поражения. Простейшая мера дополнительной «кустарной» защиты для водителя и пассажиров в кабине, которую использовали ещё со времён войны СССР в Афганистане и Чечне и применяют сейчас, это крепление бронежилета на дверь (рис. 3). Данная мера защищает от пуль, мелких и средних осколков, летящих в проекцию кабины или двери. Эффективность подтверждается в случаях, когда нет бронекапсулы, а автомобиль не бронированный.

 

Рис. 3. Крепление бронежилета на двери «Урала».

Fig. 3. The body armor mounting at the door of the Ural truck.

 

Одним из распространённых решений является создание дополнительных усиленных каркасов вокруг кабин, двигательного отсека, бензобака за счёт наваривания на них стальных листов. На рис. 4 показан понтонный автомобиль КамАЗ-63501 с дополнительной бронезащитой лобовой проекции кабины и сварной каркас с обшивкой стальными листами на кабине КамАЗа и проекции бензобака. Такое дополнительное бронирование является эффективной мерой защиты от мелких и средних осколков, а также от вольфрамовой картечи HIMARS. В зависимости от того, из какого металла изготовлены пластины, возможно удержание пули до 7.62×54R БЗТ и БП. Защита не работает против крупнокалиберных пулемётов калибра 12,7 мм и более, прямых попаданий выстрелов различных РПГ, снарядов пушек танков, БМП и вертолётов.

 

Рис. 4. Бронезащита автомобиля КамАЗ: a — Камаз-63501 с дополнительной бронезащитой лобовой проекции кабины; b — пример сварного каркаса и обшивки стальными листами.

Fig. 4. Armor protection of the KamAZ truck: a — the KamAZ 63501 with additional armor protection of frontal area of the cabin; b — an example of welded frame and plating with steel sheets.

 

В зоне проведения специальной военной операции можно встреть немало решений по защите от кумулятивных выстрелов из РПГ, СПГ, отчасти от ПТУРов². На БТР различных моделей, БРДМ, бронеавтомобилях из «кустарных решений» можно выделить решетчатые экраны. Решётка первой встречает выстрел. Кумулятивный заряд срабатывает не в поверхностном слое брони, как предусмотрено конструкцией, а в воздухе, за несколько сантиметров от корпуса (в некоторых случаях за десятки сантиметров). Боевая часть частично разрушается об решётку, траектория заряда смещается. Кумулятивная струя ударяется о борт под некоторым углом, и пробития не происходит, либо ущерб в разы меньше, чем при штатном срабатывании (рис. 5). Такими решётками стараются прикрывать прежде всего проекции зон, где размещается экипаж и боекомплект. Поражения техники бывают разными, но именно от кумулятивных выстрелов такая защита повышает шансы.

 

Рис. 5. Трофейный БТР-3 ВСУ с антикумулятивной решёткой, прикрывающей зону размещения экипажа.

Fig. 5. The BTR-3 captured from the AFU with anticumulative grill, hiding crew-housing area.

 

Для прикрытия верхней проекции башен танков применяют решетчатые козырьки. Их позиционируют как защиту от ПТРК по типу «Джавелинов» или NLAW. На данный момент нет точной статистики по их эффективности, однако козырьки защищают от сбросов ВОГов и ручных гранат с дронов, что практикуется в ходе проведения СВО обеими сторонами весьма активно.

Применение бронеавтомобилей позволяет в условиях угрозы постоянного воздействия боевиков защитить специальные автомобили и специальную технику (разведывательную, связи, санитарную, транспортную) от воздействия лёгкого и тяжёлого стрелкового оружия, подрыва фугасов, ручных гранатомётов в ходе совершения маршей или проведения специальных операций. Однако в настоящее время довольно остро стоит вопрос защиты грузового транспорта, используемого под перевозку личного состава, миномётных расчётов, материальных средств и т. д. [1, 2].

МАТЕРИАЛЫ, МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

В данном исследовании предлагается использовать мобильный комплект дополнительной броневой защиты (МКДБЗ) кузова грузового автомобиля (на примере Урал 4320, КамАЗ-4310) с целью снижения вероятности поражения личного состава при его перевозке огнестрельным оружием, кумулятивными боеприпасами, осколками артиллерийских боеприпасов, а также военного имущества при его транспортировке³.

Грузовой автомобиль оборудуется платформой с бортами, устанавливаемой на раму автомобиля. Броневая защита выполняется в виде двух навесных броневых листов размером 1200×2000 мм и двух противокумулятивных решёток размером 1200×2000 мм, закреплённых с наружной стороны элементами крепления. Навесные броневые экраны представляют собой прямые или гнутые листы из броневой стали с конструктивно заданными габаритами и местами для крепления. Устанавливаемые с наружной стороны борта кузова, они выполняют роль преграды, что значительно повышает защитные свойства при обстреле из огнестрельного оружия.

Решетчатый экран (противокумулятивная решётка) — сварная конструкция из горизонтально расположенных полос броневой стали с заданным шагом между ними по высоте и с конструктивно заданными габаритами, которая даёт возможность взрывателю кумулятивного боеприпаса сработать при контакте с защитой до того, как снаряд или реактивная граната долетит до кузова, тем самым ослабив воздействие поражающих факторов. Либо при прохождении кумулятивного боеприпаса между горизонтальными полосами решётки, расстояние между которыми меньше диаметра кумулятивной воронки, происходит смятие стенок кумулятивной воронки, что приводит к разрушению кумулятивной струи и снижению эффективности действия боеприпаса.

Кронштейн крепления, состоящий из 3-х элементов, представляет собой сварное изделие из стали, а весь комплект крепления — это набор стандартных и оригинальных изделий (болты, шайбы, гайки). Кронштейны крепления каждого элемента МКДБЗ распорного типа, что позволяет без особых усилий закрепить на борта кузова грузового автомобиля броневую защиту с минимальной затратой времени при помощи подручных средств, находящихся в каждом автомобиле.

Для подтверждения дальнейшего применения рассмотренного технического решения для защиты личного состава и перевозимого груза от огнестрельного оружия и осколков от разорвавшихся боеприпасов необходимо определить степень поражения кузова грузового автомобиля. Для этого было проведено моделирование процесса пробивания кузова пулями различного калибра в программном комплексе Ansys, позволяющем создавать комплексные модели поведения объектов в различных физических условиях. В случае пробития бронированной техники Ansys предоставляет возможность создания моделей, включающих не только снаряды различных калибров, но и саму броню техники, учёт взаимодействия материалов и другие ключевые факторы.

Точно определить параметры продолжительности процесса пробития и последующего поведения брони позволяет реалистичная модель, создание которой было выполнено на первом этапе. Для этого с использованием специализированных программ построения 3D-моделей, а также программ для импорта готовых моделей в формате, совместимом с Ansys, была создана трёхмерная модель объекта — мобильного комплекта дополнительной бронезащиты (рис. 6).

 

Рис. 6. Модель МКДЗ: a — общий вид; b — детально в сборке на кузове.

Fig. 6. The model of the mobile set of additional protection: a — main view; b — in detail assembled at the body.

 

В программе Ansys предусмотрены возможности учёта деформаций, повреждений и разрушений материалов, что добавляет реалистичности модели, но в то же время дополнительной сложности. На втором этапе была произведена необходимая настройка физических свойств материалов, используемых в моделировании брони и пуль различного калибра. Для каждого материала были прописаны их удельная плотность, прочность и упругие характеристики.

Точное моделирование взаимодействия пули и брони в Ansys для получения точных данных о сопротивляемости и эффективности различных видов бронирования позволяет настройка и проведение физических экспериментов (симуляция пробития пулей брони). Программа позволяет задать различные исходные параметры, в качестве которых на третьем этапе были выбраны: начальная скорость пули, угол попадания и тип брони. На выходе были получены детальные данные о процессе пробития, энергии перехода и последующего поведения бронированной техники, которые будут использованы для усовершенствования бронированных структур и конструкций, а также для повышения безопасности бронетехники в условиях реальных боевых действий.

Промежуточные результаты моделирования представлены на рис. 7.

 

Рис. 7. Моделирование разрабатываемого мобильного комплекта дополнительной броневой защиты в Ansys.

Fig. 7. Simulation of the developed mobile set of additional armor protection in the Ansys software.

 

Далее на основе моделирования с целью определения прочности дополнительного комплекта броневой защиты из стали 44 для грузовых автомобилей были проведены расчёты предельных скоростей пуль (V_c), при которых происходит сквозное пробитие корпуса (кузова) транспортного средства стрелковым оружием с пулей 5,45 мм (маркировка 7Н10), 5,45 мм (маркировка 7Н6), 5,45 мм (маркировка 7Н24), 5,62 мм (маркировка 57-H-231), 5,62 мм (маркировка 57-H-323), 7,62 мм (маркировка 57-H-231), 12,7 мм (маркировка «пулемётный патрон»). Для чего была использована формула (2), полученная из эмпирической формулы бронепробивания (скорости (V_пр) в секунду, необходимой и достаточной для пробивания брони снарядом в целом виде) или предела сквозного пробития (V_псп) Жакоб де Мара (Якоба-де-Мара), учитывающей диаметр снаряда (сердечника) [3, 4]:

$V_{\text{пр (псп)}}=K_1$ $\frac{d_{\text{(срд)}}^{\mathrm{0,75}}\cdot b^{\mathrm{0,7}}}{G_{\text{(срд)}}^{\mathrm{0,5}}\cdot \cos \alpha }$,                                                                       (1)

где d — калибр снаряда (сердечника); b — толщина брони; G — вес снаряда (вес сердечника); a — угол встречи снаряда с броней, считая от нормали (угол между нормалью к поверхности брони и вектором скорости пули); K₁ — коэффициент, зависящий от качества брони и бронепробивных свойств.

$V_{\text{с}}=K$ $\frac{d_{\text{с}}^{\mathrm{0,75}}\cdot b^{\mathrm{0,7}}}{m_{\text{с}}^{\mathrm{0,5}}}$,                                                                                  (2)

где K — коэффициент, характеризующий уровень прочности брони (  K =1600–1800 — для брони низкой твёрдости; K =1800–2000 — для брони средней твёрдости; K = 2000–2200 — для брони высокой твёрдости). В расчёте принято значение коэффициента K в интервале 2000–2200; d_c — диаметр сердечника:

$d_{\text{с}}=d_{\text{с.отн}}\cdot d$,                                                                                         (3)

где d_с.отнс — относительный диаметр сердечника (d_с.отнс=0,75–0,85); d — диаметр пули; b — толщина брони (b=5 мм); m_c — масса сердечника:

$m_{\text{с}}=m_{\text{с.отн}}\cdot m$,                                                                                   (4)

где m_с.отн — относительная масса сердечника (m_с.отн= 0,35–0,6); m — масса пули.

В качестве примера приведём расчёт параметров, рекомендуемых для проектирования комплекта дополнительной защиты, 5,45 мм автоматного патрона с пулей повышенной пробиваемости, патрон 7Н10, и с пулей 5,45 мм маркировки 7Н6:

 

5,45 мм (маркировка 7Н10)	5,45 мм (маркировка 7Н6)
mc = 0,515·3,49=1,80=0,0018 см	mc = 0,143=0,00143 см
dc = 0,85·5,48=4,67=0,0467 см	dc = 4,67=0,0467 см
Vc = $2000 · \frac{0,0467{ }^{0.75} ·{ }^{}0,05{ }^{0.7}}{0,0018{ }^{0,5}}$= 581 м/с	Vc = $\frac{0,0467{ }^{0.75} {·}^{} 0,05{ }^{0.7}}{0,{00143}^{ 0,5}}$= 652 м/с

 

Для определения дальности полёта пули (S) необходимо уточнить, что в Приложениях руководства «Наставления по стрелковому делу…» приведены значения скорости пули на соответствующем расстоянии. Так, скорость полёта пули 7Н10 при сквозном пробитии комплекта дополнительной броневой защиты из АК-74 составляет 581 м/с, что соответствует расстоянию 349 м. Из [5] следует, что на расстоянии 300 м окончательная скорость пули для автомата Калашникова составляет 626 м/с, а на расстоянии 400 м — 543 м/с. Откуда следует, что на расстоянии 349 м пробитие маловероятно. Или скорость полёта пули из АК-74 (маркировка 7H6) на расстоянии 200 м составляет 709 м/с, а на расстоянии 300 м — 623 м/с. Поэтому уже на расстоянии 300 м пробитие маловероятно.

Значит при нахождении значения S необходима интерполяция:

$y_2=y_1+$ $\frac{\left(x_2-x_1\right) \cdot \left(y_3-y_1\right)}{x_3-x_1}$.        (5)

Тогда дальность полёта пули для патрона 5,45 мм маркировки 7H10 составит:

$S_{7H10}=300+$ $\frac{\left(581-626\right)\cdot \left(400-300\right)}{543-626}$ = 354,21 ≈ 355 м,

а для пули 5,45 мм маркировки 7Н6:

$S_{7H6}=200+$ $\frac{\left(652-623\right)\cdot \left(300-200\right)}{709-623}$ = 266,2 ≈ 266 м.

Результаты расчётов приведены в табл. 1.

 

Таблица 1. Значения предельных скоростей и дальности полёта пули на предмет прочности дополнительного комплекта броневой защиты

Table 1. Values of maximal velocity and flight range of a bullet to estimate strength of additional set of armor protection

Калибр, мм	Маркировка пули	Скорость пули при сквозном пробитии, Vc , м/с	Дальность полёта пули при сквозном пробитии , S, м	Скорость относительно расстояния, V(S)max	Скорость относительно расстояния V(S)min
5,45	7H10	581	355	626(300)	543(400)
5,45	7H6	652	266	709(200)	623(300)
5,45	7H24	539	406	543(400)	467(500)
7,62	57-H-231	511	498	571(400)	510(500)
7,62	57-H-323C	458	569	495(500)	441(600)
7,62	57-H-231	419	645	441(600)	392(700)
12,7	(пулемётный патрон)	306	1773	314(1700)	303(1800)

 

Следующим этапом был проведён анализ напряжённо деформированного состояния (НДС), который показал, что максимальное напряжение приходит в местах соединения вертикальных и горизонтальных пластин.

 

Рис. 8. Эквивалентные напряжения: а — брони, Па; b — кумулятивной решётки, Па.

Fig. 8. Von Mises stress of armor (a) and the cumulative grill (b), Pa.

 

На рис. 8, а видно, что максимум достигает значения 1000 МПа (предел прочности брони составляет 2100 МПа, предел текучести 1700 МПа). Таким образом, при контакте с пулей 5,45 мм лист брони выдерживает силу полёта пули. Напряжение рассеивается по поверхности броневого листа до минимальных значений. Часть напряжения сфокусирована на месте контакта с пулей, вторая часть — в местах крепления броневого листа с кронштейн креплением.

 

Рис. 9. Суммарное перемещение кумулятивной решётки, (мм).

Fig. 9. Resulting displacement of cumulative grill, mm.

 

Распределение эквивалентных напряжений в кумулятивной решётке, представленное на рис. 8, b, показывает, что в месте контакта с пулей напряжение значительно меньше, чем в местах крепления пластин. Суммарное перемещение кумулятивной решётки, представленное на рис. 9, демонстрирует, что при контакте с пулей перемещение не превышает 0,15 мм.

ВЫВОДЫ

На основе полученных результатов расчёта задач с применением программного комплекса Ansys можно сделать следующие выводы:

1. Проведённые расчёты предельной скорости сквозного пробития необходимы для определения расстояния, на котором должен находиться дополнительный комплект броневой защиты, где вероятность его пробития мало допустима.
2. Необходимо обращать внимание на исключения, например, для КПВТ. Скорость полёта пули на расстоянии 1500 м составляет 430 м/с. Откуда следует, что вероятность пробития очень велика.
3. При заданной скорости меньшей скорости пробития напряжение в броне и кумулятивной решётке не превышает предела прочности.

Таким образом, автомобильная техника, бронетехника, боевые машины, являясь объектами, приоритетно подвергающимися артиллерийским, миномётным, авиационным налётам, обстрелу стрелковым оружием со стороны противника, нуждаются в мобильном комплекте дополнительной броневой защиты, например кузова, для снижения риска поражения экипажа, десанта и самой техники.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Вклад авторов. Р.В. Стрельцов — поиск публикаций по теме статьи, написание текста рукописи; А.Н. Микитенко — редактирование текста рукописи; А.А. Суходоева — экспертная оценка, утверждение финальной версии, редактирование текста рукописи; И.А. Самарин — создание изображений. Авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией).

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с проведённым исследованием и публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования и подготовке публикации.

ADDITIONAL INFORMATION

Authors’ contribution. R.V. Streltsov — search for publications, writing the text of the manuscript; A.N. Mikitenko — editing the text of the manuscript; A.A. Sukhodoeva — expert opinion, approval of the final version, editing the text of the manuscript; I.A. Samarin — creating images. All authors made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the work.

Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

Funding source. This study was not supported by any external sources of funding.

 

¹ Распоряжение Федеральной службы войск национальной гвардии Российской Федерации №1/27-Р от 24 января 2018 г. Об утверждении типажа автомобильной техники войск национальной гвардии Российской Федерации на 2018–2025 годы.

² Информационно-аналитический обзор «Анализ образцов вооружения, военной и специальной техники, поставляемых иностранными государствами Украине в рамках военной помощи» / Федеральная служба войск национальной гвардии Российской Федерации // Главный центр научных исследований Федеральной службы войск национальной гвардии Российской Федерации, Москва, 2023.

³ Информационно-аналитический обзор «Сравнительные характеристики, сильные и слабые стороны многоцелевых армейских автомобилей стран НАТО, поставляемых Украине и применяемых в ходе специальной военной операции многоцелевых армейских автомобилей Вооруженных Сил Российской Федерации» / Федеральная служба войск национальной гвардии Российской Федерации // Главный центр научных исследований Федеральной службы войск национальной гвардии Российской Федерации, Москва, 2023.

About the authors

Roman V. Streltsov

Perm Military Institute of National Guard Troops

Author for correspondence.
Email: romanstreltsov@mail.ru
SPIN-code: 7460-2039

Associate Professor, Associate Professor of the Design of Armored Vehicles Department of the Technical Supply Faculty

Russian Federation, 1 Gremyachiy Log street, Perm 614030

Alexander N. Mikitenko

Perm Military Institute of National Guard Troops

Email: nabts5960.80@mail.ru
SPIN-code: 7131-7146

Deputy Director of the Design of Armored Vehicles Department of the Technical Supply Faculty

Russian Federation, 1 Gremyachiy Log street, Perm 614030

Alla A. Sukhodoeva

Perm Military Institute of National Guard Troops

Email: sukhodoeva@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0004-9454-6289
SPIN-code: 4090-0090

Cand. Sci. (Engineering), Associate Professor of the General Engineering Sciences Department

Russian Federation, 1 Gremyachiy Log street, Perm 614030

Ivan A. Samarin

Perm Military Institute of National Guard Troops

Email: ivas3301@gmail.com

Student of the Technical Supply Faculty

Russian Federation, 1 Gremyachiy Log street, Perm 614030

References

Supplementary files