ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ЛЕГКИХ ВГМ

А. В. Козлов, О, М. Лазебник, А. Ф. Мисюк, Б. И. Бобров

Вестник бронетанковой техники. 1990. №4.

Приводятся результаты исследований и опытно-конструкторских работ по применению композитных материалов для изготовления корпусов легких ВГМ и, в частности, корпуса боевой машины десанта.

Использование таких материалов позволяет уменьшить массу при сохранении заданного уровня броневой защиты и улучшает эксплуатационные и производственно-технологические показатели машин.

В последние годы в нашей стране и за рубежом «доводятся опытно-конструкторские работы по вменению композитных материалов для ВГМ. Из зарубежных работ наиболее известны попытки создания корпусов из композитных материалов американских БТР и БМП. Их целью явля­йся снижение массы машин при сохранении заданного уровня броневой защиты.

В СССР исследована возможность создания корпуса из композитных материалов для боевой машины десанта (БМД), корпус которой изготов­лен из броневых материалов на основе алюминие­вых сплавов. Для этой машины была предложена конструкция корпуса на основе стеклопластика и керамики. Было установлено, что для корпуса БМД с защитными модулями из стеклопластика толщиной 15 мм и керамики толщиной 8 мм при сохранении массы алюминиевого корпуса можно обеспечить полную защиту от 7,62-мм бронебойной пули со всех дистанций. При этом выигрыш в мас­се – по 32 кг с каждого квадратного метра поверхности корпуса. На макете такого корпуса был Достигнут 25%-ный выигрыш в массе при одновременном снижении поражаемости бортовых проекций бронебойной 7,62-мм пулей с дистанции от 500 м до 0. Оказалось, что энергозатраты на производство корпуса из алюминия в 1,5 раза, а корпуса из композитного материала вдвое меньше, чем на производство стального корпуса.

Результаты натурных испытаний обстрелом различных конструкций преград на основе стекло­пластика с керамикой (рис. 1) показали, что их применение для защиты от бронебойных пуль мо­жет обеспечить выигрыш по массе до 50 % по сравнению с равностойкой стальной броней. Ис­пользование этих результатов и опыта изготов­ления макета композитного корпуса позволило пе­рейти к разработке конструкции, технологических процессов и изготовлению экспериментальных об­разцов корпуса БМД. При проектировании кор­пуса необходимо было обеспечить полную идентичность его внутренних объемов алюминиевому образцу корпуса, сохранить наружные обводы для установки серийного наружного оборудования, гидропневматической подвески и др. Для корпуса машины из стеклопластика был разработан метод контактного формования. В основу технологиче­ского процесса изготовления экспериментального корпуса БМД положена технология, применяемая в судостроении.

Для стеклопластиковых элементов конструкций использована стеклоткань марки Т-11-ГВС-9 по ГОСТ 19170—73, а в качестве связующего – смола марки ПН-609-21М по ОСТ 6-05-431—78. Формо­вание стеклопластиковых элементов и конструкций выполнено из расчета 22 слоя стеклоткани на 10 мм толщины. При формовании фланцев и набора соблюдены конструкторские требования к их толщинам без учета числа слоев стеклоткани, но не менее 22 слоев на 10 мм . Формовать наружную оболочку можно используя единую (разби­раемую) модель. В этом случае изготовленный корпус получается в виде единой неразборной де­тали. Серьезным недостатком данного метода яв­ляются невозможность изготовления качественной наружной поверхности, а также трудности уста­новки наполнителя при формировании корпуса. Для повышения качества изготовления корпу­са применено формирование его отдельных дета­лей (днища с бортами, крыши) в матрицах с по­следующей сваркой деталей.

Рис. 1. Пулестойкость при обстреле пулей Б-32 калибра 7,62 мм (зависимость предела кондиционного поражения от поверхностной плотности р защиты) композитных броневых преград с опорным слоем из стеклопластика марки МПС и лицевым слоем из: 1 – атенита толщиной 8 мм ; 2 – карбида кремния 9 мм ; 3 – корунда 7 мм ; 4 – керамики типа ГМТ 8 мм

Матрица (рис. 2) представляет собой неразъ­емное жесткое основание, сваренное из профильного проката со съемными частями по бортам и в носовой части корпуса, с приспособлениями для снятия изделия после формования, для получения местных обводов в зонах резкого изменения формы обшивки корпуса, для установки заклад­ных частей и т. п.

Рис. 2. Общий вид матрицы (а) и устанавливаемых в нее керамических блоков (б):

1 – верхний и нижний бортовые блоки

Соединение конструкций из стеклопластика и металла выполнено клеем марки К-153 или ЭПК по ОМТ 5.9767—79 без наполнителя. Для заформовки винтовых соединений в зо­нах, где специальные покрытия отсутствуют, ис­пользована паста, приготовленная из рубленой стеклоткани эпоксидного связующего К-153 или ЭПК. Отдельные части корпуса, изготовлений формованием в матрице, сварены между собой. При матричном способе изготовления керамический наполнитель может быть размещен на необходимой глубине слоя стеклопластика, наружные поверхности корпуса машины отличаются высок им качеством. В зависимости от массы машины, типа устанавливаемого на ней оружия, скорости движения и динамически характеристик подвески могу, применяться различные схемы корпуса, каждая из которых должна обеспечивать прочность и жесткость.

Опыт по использовании различных композитных материалов, накопленный к настоящему времени, позволяв предложить три основных ва­рианта конструктивных схем корпусов для ВГМ легкой категории по массе.

1. Цельный пластмассовый корпус, представляющий со­бой несущую систему бескаркасного типа, в которой с по­мощью клеевых и резьбовых соединений устанавливаются опора башни, подмоторная рама, перегородки, устройства крепления подвески и др. Такой корпус может исполь­зоваться для легких неброни­рованных машин, а также для легкобронированных машин с подвеской (например, гидропневматической), передающей корпусу небольшие нагрузки

2. Комбинированный корпус (рис. 3, а) из пластмассы, но с металлическим днищем. Пластмассовая часть его и днище связаны переходный устройством с помощью клеевых и резьбовых соединений или сварки. Он может использоваться для ВГМ или колесных машин массой более 10 т.

3. Пластмассовый корпус, усиленный металлическим каркасом (рис. 3, б). Он может применяться для легких бронированных машин. Кроме метода контактного формования, могут применять и другие методы изготовления пластмассовых корпусов в зависимости от программы выпуска, требований к качеству материала и конструкции возможностей обеспечения технологического процесса.    

Методом контактного формования могут выполнены все три рассмотренные здесь конструктивные схемы корпуса. Однако он не обеспечивает стабильности механических свойств материала, весьма трудоемок и потому может приме­няться лишь при ограниченных программах вы­пуска и в опытно-конструкторских работах.

Рис. 3. Схемы корпусов комбинированного (а) и пластмассового, усиленного металлическим каркасом:

1  –  верхняя часть корпуса (выполнена методом намотки); 2, 3 – носовая и кормовая детали корпуса (выполнены методом контактного формования или прессования); 4  –  нижняя (металлическая) часть корпуса; 5  –  соединительный узел; 6  –  металлический каркас

Известным методом изготовления частей корпуса является прессование, дающее возможность получения 2-го и 3-го вариантов корпуса, но тре­бующее уникального прессового оборудования.

Метод намотки также требует специального оборудования и сложной оснастки, не обеспечи­вая изготовление всех частей корпуса. Лобовые и кормовые детали корпуса в этом случае должны изготовляться либо методом прессования, либо контактным формованием. Метод намотки может быть применен для изготовления 1-го и 2-го вариантов конструктивных схем (см. рис. 3, а, б). Им изготовляется только средняя (трубообраз­ная) часть корпуса, которая разрезается по диа­метральной плоскости на две идентичные части; каждая из них становится верхней половиной кор­пуса. Остальные детали 2, 3 (см. рис. 3, б) вы­полняются методом контактного формования или прессованием.

Разработаны схемы корпусов стеклопластико­вого и комбинированного, изготовленных для хо­дового макета ВГМ (рис. 4). Верхняя часть по­следнего выполнена из стеклопластика методом контактного формования в матрице с наружным керамическим слоем. Соединение верхней 1 и ниж­ней (металлической) 2 частей корпуса осуществ­ляется с помощью специального переходного устройства 3.

В целях обеспечения заданной прочности и жесткости цельный пластмассовый корпус БМД при минимально возможной массе выполнен полностью из стеклопластики и виде несущей системы бескаркасного типа, Материал оболочки стеклопластик холодного отверждения на основе стеклоткани Т11-ПВС-9 и полиэфирной смолы ПН-609-21М. В качестве заполнителя в поперечных балках применен пенопласт марки ПХЗ-1. Оболоч­ка корпуса имеет толщину 15 мм , лобовые и передние бортовые детали – 30 мм , что отвечает требованиям по противопульной стойкости. Верх­няя часть корпуса формовалась в матрице на двух деревянных пуансонах (верхнем и нижнем) по типовой технологии. Опора башни, подмоторная рама, перегородки и другие неразъемные элементы устанавливаются в корпус с помощью клеевых соединений.

Применение композитных материалов при из­готовлении корпусов и башен легких машин позволяет дополнительно уменьшить заметность ма­шины, вероятность поражения ракетами с голов­ками самонаведения и минами, взводимыми магнитным полем, а также заброневую дозу прони­кающей радиации. При этом возможно повышение точности стрельбы за счет снижения уровня шума и вибраций.

К эксплуатационным преимуществам примене­ния композитных материалов можно отнести:

отсутствие необходимости в частой очистке и окраске элементов корпуса, а также уменьшение (либо полное исключение) работ, связанных с ликвидацией последствий коррозии;

снижение вероятности появления трещин от ударов;

упрощение ремонта в процессе эксплуатации; улучшение эргономических показателей (ниже уровень шума вибраций, легче тепловой режим).

Рис. 4. Схема комбинированного корпуса для ходового макета ВГМ (а) и его общий вид (б)

Из-за перечисленных преимуществ выполнять корпус и башню из стеклопластика оказывается экономически более выгодным, чем из металла.

Технологические преимущества использования композитных материалов включают:

значительное снижение энергозатрат;

возможность изготовления корпусных конст­рукций практически любой формы с более высоким качествам поверхности и более низкой трудо­емкостью, чем у конструкций из традиционных материалов;

уменьшение трудоемкости (если, например, для изготовления металлического корпуса необходимы специальные приспособления, электро- и газосва­рочная аппаратура, штампы, прессы, высококва­лифицированные рабочие и специалисты, то для изготовления пластмассового корпуса требуется лишь теплое помещение, оснастка и формовщики сравнительно низкой квалификации);

использование более дешевых материалов (се­рийно выпускаемые керамические плиты на основе корунда стоят 9 тыс. руб. за 1 т; на один корпус расходуется 0,4 т таких плит).

К недостаткам композитных материалов следу­ет отнести низкий модуль упругости, а также не­высокую прочность соединения элементов конст­рукций между собой.

Использование композитных материалов для изготовления корпусов и башен основных танков весьма проблематично. На данном этапе развития танкостроения защита от бронебойных подкалиберных снарядов осуществляется в основном за счет, стальной составляющей комбинированной брови. Однако возможно широкое использование композитных материалов в конструкциях корпусов и башен основных танков в качестве «упаковки» для керамического наполнителя, устанавливаемого в преграды, для изготовления навесных защитных модулей с керамикой. Они могут быть применены также в конструкциях крыши, моторно-трансмиссионного, отделения, лючков корпуса, стенок отсеков, кормовых деталей корпуса и башни.

В случае выноса некоторых элементов внутреннего оборудования танка на надгусеничные полки (например, аккумуляторных батарей, фильтровентиляционной установки, автономного энергоагрегата) последние могут быть надежно защищены от осколков снарядов и пуль экранами из композитных материалов.

Вывод. Использование композитных материа­лов для легких ВГМ позволит уменьшить их массу при сохранении заданного уровня броневой защиты или повысить уровень защиты при сохранении массы и обеспечит некоторое уменьшение вероятности поражения, а также улучшение  эксплуатационных и производственно-технологических показателей машин.