Konstrukcja lekkiego pancerza balistycznego dla pojazdów specjalnego przeznaczenia w aspekcie jego właściwości osłonowych i składu fazowego

Transkrypt

1 ŚLIWIŃSKI Michał 1 KUCHARCZYK Wojciech 2 Konstrukcja lekkiego pancerza balistycznego dla pojazdów specjalnego przeznaczenia w aspekcie jego właściwości osłonowych i składu fazowego WSTĘP Jedną z podstawowych cech sprzętu narażonego na ostrzał pociskami lub rażeniem podczas wybuchu lub odłamkami jest jego odporność na przebicie, zwana odpornością balistyczną [8]. Do takiego sprzętu zalicza się wszystkie pojazdy wyposażone w osłony zapewniające ochronę życia lub zdrowia osób przebywających we wnętrzu pojazdów, a także ochronę mienia w nim przewożonego przed wybuchem pocisków, granatów, min lub prowizorycznych ładunków wybuchowych, które mogą wystąpić bezpośrednio pod pojazdem [2]. Ładunki takie, zawierające określoną ilość materiałów wybuchowych posiadają cienką lub grubą skorupę. W chwili wybuchu skorupa ta ulega określonej fragmentacji (zamierzone rozmiary odłamków i ich ilość) lub fragmentacji nieokreślonej (dowolny kształt i nie możliwa do oszacowania liczba odłamków) [2]. Tak poruszające się odłamki mogą przebić pancerz, a wtedy odporność pancerza określana jest, jako odłamkoodporność [8 11]. Do innych kryteriów doboru osłony balistycznej należy określenie warunków oddziaływania zakresu energii kinetycznej na pancerz [8 11]. Energia kinetyczna jest jednym z głównych parametrów decydujących o wyborze materiału, który ma być użyty przy konstrukcji osłony. Dla małych energii uderzenia, np. dla pocisków symulujących odłamki lub amunicji o małym kalibrze (o energii kinetycznej poniżej 700 J) zastosowanie luźno złożonych (pakietów) tkanin z włókien wysokowytrzymałych jest wystarczające do zatrzymania pocisku [14]. Zachowane zostaje małe odkształcenie tylnej strony osłony, co jest istotne przy produkcji osłon do ochrony osobistej, np. w kamizelkach kuloodpornych, gdzie waga osłony balistycznej na znaczący wpływ na mobilność osoby z niej korzystającej. Dla laminatów na bazie włókien wysokowytrzymałych [5, 6], dla małych prędkościach uderzenia, odporność na uderzenie wzrasta wraz ze wzrostem wytrzymałości włókien i wytrzymałości osnowy oraz odwrotnie proporcjonalnie do modułu sprężystości. Dla energii z zakresu J, niektórzy badacze [14 ] sugerują stosowanie laminatów wykonanych z włókien o wysokim module sprężystości i wytrzymałości, w osnowie polimerowej. Właściwości osłony w ujęciu makroskopowym są wtedy zbliżone do właściwości materiałów kruchych, ponieważ odkształcenie laminatu w kierunku uderzenia, jest bardzo małe. Inni badacze [15, 16] sugerują wykorzystanie włókien o małym module sprężystości i dużym względnym wydłużeniu, w osnowie polimerowej. Takie laminaty mają tendencję do deformacji przed wystąpieniem perforacji tak, że energia uderzenia lub wybuchu jest rozpraszana częściowo także poprzez nadanie osłonie energii kinetycznej. W ostatnich latach, ze względu na stale rosnący poziom zagrożenia załóg pojazdów wojskowych, rozpoczęto modernizację pojazdów, głównie tych, które uczestniczą w misjach zagranicznych. W zakresie opancerzenia modernizacja prowadzona była poprzez [1, 4, 12]: dopancerzanie istniejących pojazdów (podwyższanie ich poziomu ochrony) oraz pozyskiwanie nowych pojazdów opancerzonych (o określonym poziomie ochrony). Z jednej strony ze względu na wysokie wymagania, co do odporności balistycznej [9 11], z drugiej jednak, ze względu na ograniczoną ładowność pojazdów część sprzętu wyposażona została w pancerze kompozytowe (polimerowo-włókniste), przede wszystkim występujące w formie dodatkowych płyt [4, 12]. Największym atutem takich kompozytowych 1 CALYPSO FITNESS S.A.; Warszawa; ul. Puławska 17. Tel: , michal@calypso.com.pl 2 Uniwersytet Technologiczno-Humanistyczny im. Kazimierza Pułaskiego w Radomiu, Wydział Mechaniczny; Radom; ul. J. Krasickiego 54B. Tel: , Fax: , wojciech.kucharczyk@uthrad.pl 6236

2 pancerzy jest ich wysoka wartość efektywności masowej [15 17], w stosunku do pancerzy stalowych. Jednak ich produkcja i eksploatacja jest bardziej kosztowna niż pancerzy metalowych. Celem niniejszej pracy jest opracowanie wstępnego projektu konstrukcji lekkiego pancerza balistycznego w aspekcie jego składu fazowego. Wirtualna konstrukcja pancerza powstała w programie Inventor Autodesk, a symulacje jego obciążenia eksploatacyjnego przeprowadzono przy pomocy programu ANSYS 13. Zakres symulacji obejmował cyfrowe próby detonacyjne pod fragmentem lekkiego pancerza warstwowego zaprojektowanego z zastosowaniem polimerowych kompozytów włóknistych. 1. WYMAGANIA STAWIANE MOBILNYM OSŁONOM POLOWYM Pojazdy specjalne oprócz tego, że przewożą ludzi, broń oraz sprzęt, muszą mieć jeszcze dodatkowe cech, takie jak zdolność poruszania się w terenie o najróżniejszych podłożach, pokonywać przeszkody wodne, posiadać wystarczającą siłę napędową, być solidnie i niezawodnie wykonane, aby wytrzymać najbardziej nieprzewidziane obciążenia występujące w czasie jazdy po nierównym terenie lub w warunkach ekstremalnych. Muszą one spełniać odpowiednie wymagania terenowe i charakteryzować się odpornością na następujące zagrożenia eksploatacyjne [1, 4, 12]: wynikające z działania dużych i zmiennych pod względem kierunku i wartości sił bezwładności; oddziaływania obciążeń dynamicznych podczas jazdy z różnymi prędkościami, po drodze utwardzonej i w terenie (po drogach polnych, duktach leśnych, kamienistych drogach górskich); jazdy w dużym zapyleniu, wilgotności, w zróżnicowanych temperaturach, na różnych wysokościach; przejazdów przez przeszkody terenowe jak rowy, skały, zwalone drzewa, przeprawy przez prowizoryczne mosty oraz pokonywania brodów. Wieloosiowe pojazdy specjalne mają określone do realizacji zadania, szczególnie podczas działań bojowych w ramach misji pokojowych lub stabilizacyjnych w warunkach ciągłego zagrożenia [4]. W opracowaniu główną uwagę skupiono na niebezpieczeństwach wynikających z tzw. naziemnej wojny minowej oraz z realizacji zadań patrolowo-interwencyjnych, gdzie zagrożeniem są niekonwencjonalne ładunki wybuchowe. Improwizowane urządzenia wybuchowe IED (Improvised Explosive Device), w przeciwieństwie do konwencjonalnych zapór minowych i używanych do ich założenia min, są trudniejsze do wykrycia i rozpoznania, a przez to bardziej niebezpieczne. Ich konstrukcja oparta o proste, ogólnodostępne i tanie materiały, nie przysparza wykonawcom trudności natury technologicznej i logistycznej. Wygląd zewnętrzny ładunków IED, ze względu na stosowanie do ich budowy przedmiotów niekojarzących się z ładunkami wybuchowymi, często uniemożliwia właściwą identyfikację tych ładunków, a przez to ułatwia ich transport oraz rozmieszczenie w pożądanym miejscu i czasie. Możliwe sposoby zaatakowania pojazdów pod czas jazdy, w ramach realizacji zadań specjalnych, są następujące (przedstawione na rysunku 1) [2]: rzucenie ładunku wybuchowego z mostu lub wiaduktu; rzucenie pod najeżdżający pojazd; umieszczenie w koleinie drogi i przykrycie warstwą ziemi; umieszczenie ładunku w krawężniku wzdłuż drogi przejazdu; ukrycie ładunku w stosie ziemi, gruzu obok drogi; ostrzał bezpośredni z prowizorycznej wyrzutni; zabudowanie ładunku, jako elementu domu. W chwili obecnej funkcjonuje w NATO dokument mogący stanowić podstawę do stawiania ochronie balistycznej pojazdów odpowiednich wymagań. Jest nim umowa standaryzacyjna STANAG 4569 Poziomy zabezpieczenia osób znajdujących się w logistycznych i lekkich pojazdach opancerzonych [13]. Celem umowy jest standaryzacja poziomów zabezpieczenia osób po to, aby [13]: dowódcy mogli wybrać odpowiedni sprzęt potrzebny do wypełnienia zadania przy określonym zagrożeniu; 6237

3 kraje członkowskie NATO miały wskazówki do wprowadzania wyposażenia odpowiedniego do sprostania zagrożeniom związanym z terenem działań wojennych; kraje członkowskie mogły przygotowywać i unowocześniać swoje wyposażenie tak, aby było ono odpowiednie do konkretnych zagrożeń. Taka standaryzacja pomoże zapewnić interoperacyjność podczas misji międzynarodowych, bo stosowane jest podobne wyposażenie, gwarntujące analogiczne poziomy zabezpieczenia w przypadku konkretnego zagrożenia. Rys. 1. Prowizoryczna wyrzutnia o kalibrze 130 mm oraz przykładowe miejsca umieszczania improwizowanych ładunków wybuchowych [2] Lista poziomów zabezpieczenia oparta jest o 90% prawdopodobieństwo zapewnienia osłony osobom znajdującym się w pojazdach na wypadek konkretnego zagrożenia [13]. Aneks A umowy STANAG 4569 rozróżnia 5 poziomów ochrony przed przebiciem pociskami oraz fragmentami pocisków artyleryjskich. Obejmuje on pociski karabinowe zwykłe i przeciwpancerne kalibrów 5,56 mm, 7,62 mm, 14,5 mm i 25 mm. Poziomy odporności na przebicie fragmentami pocisków artyleryjskich uzależnione są od odległości detonacji pocisku kalibru 155 mm. W aneksie B umowy STANAG 4569 zawarto poziomy ochrony przed przebiciem odłamkami granatów oraz min. Wymagania umowy STANAG 4569 przedstawiono w tabelach 1 3. [13] Tab. 1. Warunki przeprowadzania testów według normy STANAG 4569 dla kuloodporności [13] Kuloodporność Poziom I Poziom II Poziom III Poziom IV Poziom V Warunki testów 7,62x51 Ball; V = 833m/s 5,56x45 SS109; V = 900m/s 5,56x45 M193; V = 937m/s Kąt: azymut 360 ; Kąt podniesienia: ,62x39 BZ; V = 695m/s Kąt: azymut 360 Kąt podniesienia: ,62x51API(WC); V = 930m/s 7,62x54R B32; V = 854m/s Kąt: azymut 360 ; Kąt podniesienia: ,5x114 B32; V = 911m/s Kąt: azymut 360 ; Kąt podniesienia: 0 25x137 APDS-T; V = 1335m/s Kąt: ± 30 ; Kąt podniesienia: 0 Odległość strzału 30 m 200 m 500 m 6238

4 Tab. 2. Warunki testów według normy STANAG 4569 dla odłamkoodporność i odporność na miny [13] Warunki testów Odłamkoodporność i odporność na miny Granaty ręczne, miny przeciwpiechotne, niewybuchy artyleryjskiej Poziom I amunicji odłamkowej i inne niewielkie przeciwpiechotne materiały wybuchowe Poziom IIa Wybuch pod kołem lub gąsienicą pojazdu II IIb Wybuch pod centralną częścią pojazdu Poziom III Poziom IV IIIa IIIb IVa IVb Wybuch pod kołem lub gąsienicą pojazdu Wybuch pod centralną częścią pojazdu Wybuch pod kołem lub gąsienicą pojazdu Wybuch pod centralną częścią pojazdu Masa ładunku --- Mina AT o masie 6 kg Mina AT o masie 8 kg Mina AT o masie 10 kg Tab. 3. Warunki testów normy STANAG 4569 dla odporność na odłamki pocisków artyleryjskich [13] Warunki testów Odporność na odłamki pocisków artyleryjskich Poziom I Pocisk: 155 mm Kąt: azymut 360 ; Kąt podniesienia: 0-18 Poziom II Pocisk: 155 mm Kąt: azymut 360 ; Kąt podniesienia: 0-22 Poziom III Pocisk: 155 mm Kąt: azymut 360 ; Kąt podniesienia: 0-30 Poziom IV Poziom V Pocisk: 155 mm Kąt: azymut 360 ; Kąt podniesienia: 0-90 Pocisk: 155 mm Kąt: azymut 360 ; Kąt podniesienia: 0 Odległość wybuchu 100 m Kryteria stosowane do określenia prawdopodobieństwa zapewnienia osłony i procedury testowe pozostają w gestii poszczególnych krajów, przy założeniu, że STANAG 4569 stanowi podstawę przy opracowywaniu procedur testowych. Istotą dostosowania się do normy jest ocena prawdopodobieństwa narażenia życia załogi pojazdu w wyniku ataku rożnymi środkami bojowymi, dla danej konstrukcji pojazdu oraz wybranych układów materiałowych. 2. WSTĘPNY PROJEKT KONSTRUKCJI LEKKIEJ OSŁONY BALISTYCZNEJ Na podstawie analizy właściwości i zastosowań modyfikowanych tworzyw sztucznych [3, 7, 17, 18] w konstrukcjach uzbrojenia [1, 12, 14] zaprojektowano osłonę balistyczną w postaci czterowarstwowej płyty kompozytowej. Głównym założeniem dla takiej konstrukcji pancerza jest jego zdolność ochrony przed skutkami detonacji materiałów wybuchowych stosowanych przez wojsko, jak i przez organizacje terrorystyczne. Lekki pancerz o takiej konstrukcji mógłby być stosowany do pojazdów pola walki, a także do pojazdów mających ochraniać osoby biorące udział w życiu publicznym państwa [12, 14]. Osoby życia publicznego poruszają się zazwyczaj pojazdami luksusowymi, zapewniającymi komfort podróży. Dostosowanie takiego pojazdu do wymagań ochronnych staje się wielkim wyzwaniem dla biur projektowych. Szerokie zastosowanie pancerzy stalowych w takich pojazdach znacząco zwiększa ich wagę, co w dalszej perspektywie użytkowania staję się problemem ze względu na zwiększone poziomy zużycia paliwa oraz, co ważniejsze, ze względu na utratę przez pojazd charakteru dynamicznego, co w momencie zagrożenia może zaważyć o życiu człowieka. Zastosowanie lekkiej osłony balistycznej o budowie kompozytowej, w której gęstość użytych materiałów mieści się w granicach 0,9 1,5 g/cm 3 [3, 7, 18] skutkuje znacznym obniżeniem masy całego pancerza (w stosunku do pancerza stalowego gdzie masa 1m 2 wynosi około 47 kg), przy jednoczesnym 30% wzroście ceny [12], w związku z użyciem włóknistych tworzyw kompozytowych. 80 m 60 m 25 m 25m 6239

5 W opracowaniu projektu wykorzystano możliwości obliczeniowe programów wspomagających proces projektowania części maszyn (Autodesk Inventor), a także program do przeprowadzania obliczeń związanych z symulacjami dynamicznymi obciążenia części i symulacjami zjawisk zachodzących w zderzeniach przedmiotów (ANSYS 13). W programie Autodesk Inventor zamodelowana została osłona balistyczna składająca się z tworzyw kompozytowych o łącznej masie 14,78 kg. Na kolejne warstwy kompozytowej osłony zastosowano cztery płyty, każda o grubości 8 mm i wymiarach 500 x 500 mm, z materiałów: 1. PMMA (polimetakrylan metylu). Pierwsza warstwa pancerza. Zabezpieczenie całej konstrukcji pancerza przed uszkodzeniami mechanicznymi oraz działaniem promieni słonecznych. 2. Kevlar 49 firmy Spectra (warstwa druga) [5]. Zastosowanie tej odmiany poliamidu aromatycznego pozwala na osiągnięcie dobrych wyników odporności pancerza, ze względu na najlepsze dane techniczne uzyskane dla tego włókna. 3. Płyta z włókna węglowego 24K splot PLAIN (trzecia warstwa). Splot tkaniny pozwala na zwiększenie wytrzymałości całej płyty węglowej o 15% w porównaniu do standardowych mat o kierunku ułożenia włókien 0/90 [12, 14]. 4. Włókno szklane Interglass (czwarta warstwa), stosowane przeważnie w przemyśle militarnym ze względu na bardzo dobre właściwości wytrzymałościowe [6]. Gramatura 390 g/m 2. Materiały takie jak Kevlar 49, włókna szklane oraz włókna węglowe występują w przedstawionej koncepcji jako płyty twarde, to znaczy maty i tkaniny z włókien w osnowie z żywicy epoksydowej poddane prasowaniu na prasie hydraulicznej Analiza wytrzymałościowa płyty kompozytowej Model osłony został poddany analizie wytrzymałościowej z wykorzystaniem programu Autodesk Inventor metodą elementów skończonych (MES), z wygenerowaną siatką węzłów oraz elementów w postaci trójkątna równobocznego o boku równym 0,1 mm. Płytę kompozytową sprawdzono pod statycznym naprężeniem MPa. Wartość ta wynika z sumowania wytrzymałości R m każdego materiału zastosowanego w osłonie balistycznej [3, 7, 17, 18]. Za punkty stałe przyjęto boki kompozytu. Wyniki analizy nacisków przedstawiono graficznie na rysunku 2. Rys. 2. Wynik symulacji obciążeniowej dla płyty kompozytowej Naprężenie określone zostało według hipotezy von Misesa, jako naprężenie zredukowane Hubera lub Hubera-Misesa. Jest to średnia arytmetyczna liczona ze wszystkich składowych tensora 6240

6 naprężenia, stworzona po to, żeby dać w miarę obiektywny wskaźnik wytężenia materiału w wieloosiowych stanach naprężenia Symulacje detonacji ładunków wybuchowych Model płyty kompozytowej przeniesiono do programu ANSYS i tam zaprogramowano symulacje oddziaływania na jej powierzchnię zjawisk i sił powstałych w wyniku detonacji określonego ładunku wybuchowego. Przeprowadzono dwie symulacje detonacji typowego, wybuchowego materiału kruszącego, trójnitrotoluenu (trotylu TNT). Zaczynając od ładunku o najmniejszej założonej masie materiału wybuchowego (SYM-1), a kończąc na ładunku, który powoduje powstanie sił niszczących całą płytę (SYM-2). Ładunek wybuchowy został zamodelowany w postaci kul o masach i promieniach podanych w tabeli 4. Czas poddania próbek oddziaływaniu fali detonacyjnej ustalono na 0,3 s. Odległość ładunku od środka płyty wynosiła 150 mm. Tab. 4. Masy materiału wybuchowego użytego w symulacjach Lp. Nazwa symulacji Masa ładunku wybuchowego TNT [kg] Promień kuli R [mm] 1. SYM-1 0, SYM-2 1, Po dokonaniu w programie ANSYS ustawień, takich jak: punkty stałe; ustawienia materiałowe; ustawienia graficzne przeprowadzono symulacje. Wyniki dla symulacji SYM-1 Po zainicjowaniu symulacji detonacji TNT nastepuje wzrost cisnienia powietrza oraz wzrost sił nacisku działających na płytę kompozytową. W jej centralnym punkcie (rysunek 3a), po czasie 0,185 s widoczny jest czerwony punkt obszar o największym nacisku oddziaływującym na kompozyt, wartość ciśnienia sięga w tym miejscu 85 MPa. Wytrzymałość pierwszej warstwy kompozytu, czyli płyty z PMMA, wynosi 75 MPa. Następuje zatem destrukcja tego materiału, a w konsekwencji przeniesienie nacisku na kolejne warstwy kompozytu. Po czasie 0,3 s ciśnienie, o maksymalnej wartości 40 MPa, oddziaływujące na pozostałe warstwy kompozytu nie przekracza wartości granicznych napreżeń niszczących użytych materiałów osłony, ale po zakończeniu symulacji widoczne są już rozwarstwienia kompozytu (rysunek 3b). Rys. 3. Czas 0,185 s - rozchodząca się fala uderzeniowa w powietrzu i na płycie kompozytowej (a); widoczne rozwarstwienia kompozytu po zakończeniu symulacji, po czasie 0,3 s (b) 6241

7 Wyniki dla symulacji SYM-2 Czynnikiem, który zmieniono w stosunku do SYM-1 jest rozmiar ładunku wybuchowego. Średnica ładunku TNT uległa zwiększeniu dwa razy (z 60 mm na 120 mm), co dało wzrost jego masy o prawie osiem razy. Na rysunku 4 widać, jak ciśnienie oddziaływujące na płytę kompozytową powoduje jej rozwarstwianie już po czasie 0,143 s i powstanie w niej naprężeń sięgających 650 MPa. Rys. 4. Ciśnienie działające na płytę kompozytową powoduje jej rozwarstwianie po czasie 0,143 s. Naprężenie sięga 648 MPa 3. ANALIZA SYMULACJI DETONACJI ŁADUNKÓW WYBUCHOWYCH Z przebiegu symulacji SYM-1 znacząco wynika, iż płyta kompozytowa, o zaproponowanym składzie i budowie, z powodzeniem oprze się ładunkom detonacyjnym, których masa materiału wybuchowego nie przekracza 200 g. Taka ilość ładunku o sile kruszącej lub burzącej znajduje się na bezpośrednim wyposażeniu żołnierza. Środki te mogą skutecznie zatrzymać pojazd nieopancerzony. Całkowite zniszczenie pojazdu jest niemożliwe, ale w przypadku wybuchu 200 g materiału wybuchowego powstają odłamki, które ze względu na ich nieprzewidywalny tor lotu, są doskonałym środkiem do zwalczania siły żywej przeciwnika. Płyta kompozytowa o zaproponowanym składzie posiada wysokie zdolności zatrzymywania odłamków, ponieważ jej charakter pracy sprowadza się do powstania naturalnej strzałki ugięcia dla poszczególnych włókien każdego z zastosowanych tworzyw sztucznych. Stosunek czasowy zjawisk SYM-1, jakie powstają podczas wybuchu i ich szybkość propagacji są o 50% niższe, niż w przypadku wyników symulacji SYM-2. Z przebiegu symulacji SYM-2 wynika, że płyta kompozytowa nie potrafi zapewnić skutecznej ochrony pojazdowi po detonacji TNT o masie 1,45 kg w odległości 150 mm od jej środka. Powstałe naprężenia są o 800% większe niż w przypadku symulacji SYM-1, a czas dotarcia fali detonacyjnej do płyty kompozytowej jest o 50% krótszy. Silne skupienie naprężeń, przedstawione na rysunku 4 powoduje rozwarstwienie się kompozytu, a co za tym idzie spadek skuteczności osłony balistycznej. Po czasie 0,23 s (rysunek 5) płyta nie spełnia już założonych warunków osłonowych. 6242

8 Rys. 5. Widoczne płyniecie pierwszej warstwy ochronnej PMMA i rozwarstwianie się kompozytu, czas 0,23 s WNIOSKI Przedstawione w opracowaniu kryteria dla laminatów stanowią wytyczne ich doboru na panele osłon ochronnych. Kompozyty te mogą służyć, w swoich zakresach ochrony, jako autonomiczne, lekkie osłony pancerne. Częściej jednak tworzą układy złożone, tak zwane pancerze strukturalne o gradientowych własnościach odporności na uderzenia pociskami. Takie kompozycje zapewniają wyższe klasy ochrony, przy znacznie zredukowanej masie. Prowadzone prace nad wytworzeniem płyt osłonowych dla lekkich pojazdów specjalnego przeznaczenia świadczą o istnieniu potencjału technologicznego w kraju do podjęcia problematyki zwiększenia poziomu ochrony żołnierzy pola walki oraz osób prowadzących publiczny charakter pracy. 1. Dzięki znaczącemu postępowi technicznemu w rozwoju przetwórstwa polimerowych kompozytów włóknistych możemy stosować te tworzywa, jako osłony na pancerze w przemyśle zbrojeniowym. Szerokie zastosowanie włókien wysokowytrzymałych wiąże się z ich: małą gęstością, wynoszącą dla włókien aramidowych 1,45 g/cm 3, dzięki której pancerze lekkie można z łatwością wymieniać na polu walki. wysokim modułem sprężystości (nawet ponad 120 GPa), dzięki czemu potrafią przenosić obciążenia zgodne z testem V 50, w trakcie realizacji którego osłona balistyczna wykonana z włókien Kevlar o grubości warstwy 10 mm nie zostanie przebita pociskiem lecącym z prędkością 600 m/s. 2. Połączenie hybrydowe włókien Kevlar z włóknami szklanymi i węglowymi pozwala osiągnąć opancerzenie zdolne wytrzymać wybuch miny przeciwpiechotnej oraz środków niszczących znajdujących się na wyposażeniu osobistym żołnierza. 3. Przeprowadzone w programie ANSYS symulacje świadczą o tym, iż autonomiczna osłona kompozytowa, w której budowie znajdują się tylko polimerowe kompozyty włókniste, nie jest w stanie spełnić roli osłonowej w przypadku działania na nią ciśnienia powstałego w wyniku wybuchu typowego materiału kruszącego o masie większej niż 200 g. 4. Z analizy przeprowadzonych symulacji wynika, że wzmocnieniem lekkiej osłony balistycznej mogłaby być dodatkowa warstwa stali o podwyższonej twardości, np. ARMOX o grubość 2 mm. 5. Zastosowane w pracy programy komputerowe znacząco upraszczają, a także obniżają koszty projektowania osłon balistycznych. Szeroko rozwinięty moduł obliczeniowy MES w programie 6243

9 ANSYS pozwala nie tylko przeprowadzać analizy wybuchu, ale także skutecznie może posłużyć do analizy zderzeń ciał w symulacjach numerycznych. 6. Twarde opancerzenia, używane do ochrony den helikopterów lub boków transporterów opancerzonych, są zrobione przez złożenie dużej ilości warstw krzyżujących się prepregów. Sztywne osłony są wykonywane z włókien wysokowytrzymałych w połączeniu z różnymi żywicami, zwykle żywicami termoutwardzalnymi. Dodatkowo mogą one być wulkanizowane, co powoduje, że są bardziej sztywne i mogą być wykorzystane jako elementy konstrukcyjne, na przykład jako boki transporterów. Streszczenie W pracy przedstawiono wstępny projekty lekkiej osłony balistycznej służącej jako osłona przeciwminowa dla lekkich pojazdów specjalnego przeznaczenia. Do projektu wybrano polimerowe materiały kompozytowe, ze względu na ich bardzo dobre właściwości fizyczne. Wysoka wytrzymałość i mała gęstość kwalifikują te materiały do celów militarnych. Zaprojektowana osłona balistyczna została poddana symulacyjnym próbom obciążeniowym w programie Inventor, a następnie symulacjom wytrzymałościowym na detonacje materiału wybuchowego w programie ANSYS. Wykonane w programie ANSYS obliczenia wytrzymałościowe, pozwoliły stwierdzić na jak wielkie naprężenia, powstałe podczas wybuchu, jest odporna taka osłon. Stwierdzono, że lekkie osłony balistyczne, o zaprojektowanej konstrukcji i składzie materiałowym, nie nadają się na osłony przeciwminowe ciężkich pojazdów pola walki, ale mogą być wykorzystane do pojazdów specjalnych lekkiego opancerzenia. W pracy sformułowano także wnioski dotyczące zalet i wad zaprojektowanej osłony balistycznej. Design of the light ballistic shield used as a counter-mine shield for special purpose of light vehicles Abstract The thesis presents a tentative design of the light ballistic shield used as a counter-mine shield for special purpose of light vehicles. For the project plastics were chosen according to their excellent physical properties. The high durability in comparison to the low density classifies these materials for the military goals perfectly. The ballistic shield constructed this way was put to the load test in the application Inventor. Then its endurance for explosions was tested in the application ANSYS. Calculations of endurance prepared in application ANSYS show how high pressure force initiated by the explosion can the shield stand. It turned out that the light ballistic shields with such a construction cannot be used as counter-mine cover for heavy vehicles in the battlefield but they can be used in special purpose of light vehicles. The thesis also forms conclusions about advantages and disadvantages of the designed ballistic shield. BIBLIOGRAFIA 1. Barnat W., Dobór podstawowych parametrów warstwy dennej lekkiego pojazdu wojsk powietrznodesantowych. Szybkobieżne Pojazdy Gąsienicowe 2009, nr 24(1). 2. Berdak S., Improwizowane urządzenia wybuchowe IED nową bronią w rękach terrorystów oraz podejmowane działania w celu ochrony wojsk przed skutkami ich użycia. Prezentacja autorska, Warszawa Boczkowska A. Kapuściński J. Lindeman Z. Winterberg-Pietrzyk D., Wojciechowski S., Kompozyty. Oficyna Wyd. Politechniki Warszawskiej, Warszawa COUGAR mine resistant ambush protected 4x4 vehicle category I, TM Force Protection Industries Inc Du Pont. High-Temp Armour Plates with Kevlar French M.A., Composite Materials for AFVs. Military Technology MILTECH 2000, nr

10 7. Kucharczyk W., Mazurkiewicz A., Żurowski W., Nowoczesne materiały konstrukcyjne. Wybrane zagadnienia. Wyd. Politechniki Radomskiej, Radom Międzynarodowe Seminarium Ochron Balistycznych. Materiały seminaryjne. Genewa NIJ STANDARD Ballistic resistance of body armour. 10. NIJ STANDARD Ballistic Resistant Protective Materials. 11. PN-V-8700:1999. Ochrona balistyczna. 12. Praca zbiorowa pod red. Grula A., Opracowanie koncepcji nowego typu pancerza warstwowego z przeznaczeniem na pancerze ciężkich i lekkich pojazdów produkcji krajowej oraz modernizacja istniejących. Opracowanie zamiennych dla GOST stali pancernych wyższej jakości. Wyd. WITU, Zielonka STANAG Protection levels for occupants of logistic and light armoured vehicles. 14. Starczewski L., Lekkie kompozytowe osłony balistyczne w technice wojskowej. Wykład habilitacyjny. Politechnika Poznańska, Instytut Maszyn Roboczych i Pojazdów Samochodowych. Poznań Wiśniewski A., Pancerze, budowa, projektowanie i badanie. WNT, Warszawa Wiśniewski A., Żurowski W., Amunicja i pancerze. Wyd. Politechniki Radomskjej, Radom Wojtkun F., Sołncew J.P., Materiały specjalnego przeznaczenia. Wyd. Politechniki Radomskiej, Radom Żuchowska D., Polimery konstrukcyjne. WNT, Warszawa