Nowoczesne technologie osłon kompozytowych

Mateusz J. Multarzyński

Nowoczesne technologie

osłon kompozytowych

Ochrona załóg pojazdów, statków powietrznych czy jednostek pływających wymaga stosowania coraz to skuteczniejszych systemów osłon. Projektując je należy uwzględnić wiele czynników, w tym dwa istotne dla efektywności całego systemu, jakim jest np. opancerzony pojazd, czyli skuteczność ochrony oraz masę osłon.

Z jednej strony mamy więc potrzebę zapewnienia przeżywalności na polu walki, gdzie stosowane są coraz efektywniejsze środki rażenia, do tego często stają się one łatwo dostępne niemal dla każdego chętnego. Z drugiej strony wzrost masy osłon limitowany jest przez nośność danej konstrukcji i konieczność zapewnienia jej użyteczności np. w postaci wysokiej mobilności, możliwości transportu lotniczego, czy ładowności umożliwiającej montaż specjalistycznego wyposażenia oraz uzbrojenia. Nie bez znaczenia jest również współczynnik koszt/efekt charakteryzujący opłacalność całej inwestycji, a przy stosowaniu nowoczesnych technologii, szczególnie w przypadku rozwiązań importowanych, koszt pancerza jest znaczący.

Dążąc więc do zapewnienia jak najlepszej ochrony załogom pojazdów należy sięgać po coraz nowocześniejsze technologie. W przypadku osłon pasywnych stanowią je warstwowe pancerze kompozytowe (hybrydowe), czyli powstałe z połączenia różnych materiałów, które charakteryzują się lepszą skutecznością (większą odpornością) przy jednoczesnym znacznym ograniczeniu masy i grubości (lepsza funkcjonalność) w porównaniu do pancerza jednorodnego, wykonanego np. ze stali pancernej.

Wśród układów hybrydowych można wyróżnić trzy wysoce efektywne kompilacje: ceramiczno-laminatowe, ceramiczno-metalowe (stal pancerna, stopy aluminium lub tytanu) i ceramiczno-metalowo-laminatowe. Dobór odpowiedniego kompozytu, jego elementów składowych, zależy m.in. od: wymaganych poziomów ochrony i rodzajów środków rażenia, miejsca montażu (wewnętrzny lub zewnętrzny) oraz przeznaczenia osłony – czy jest to pancerz zasadniczy, czy też dodatkowy. Najkorzystniejszy stosunek masy powierzchniowej do zakładanej odporności uzyskuje się w przypadku pancerzy hybrydowych, w których jedną z warstw jest ceramika.

Kuloodporna ceramika
Do zatrzymania pocisku kalibru 7,62x54 mm API konieczne jest użycie stali pancernej RHA o grubości 18 mm i masie powierzchniowej 149 kg/m2, ten sam pocisk nie będzie w stanie spenetrować ceramicznej osłony kompozytowej o masie 85 kg/m2. W przypadku ochrony przed pociskiem 14,5x114 mm API B32 konieczne będzie zastosowanie płyty stalowej, np. ARMOX 500T, o grubości 35 mm i masie 273 kg/m2 lub samodzielnej płyty kompozytowej o grubości 45 mm i masie 107 kg/m2. Na tych dwóch przykładach wyraźnie widać, jakie korzyści w postaci redukcji masy o co najmniej 40%, daje zastosowanie ceramiki, jako głównego elementu składowego pancerza warstwowego. Jest ona wykorzystywana najczęściej do ochrony przed pociskami kalibrów od 5,56 mm do 14,5 mm i odłamkami o średnicy do 20 mm. Może być też łączona z innymi materiałami, jak: polietylen, metale, czy różnego typu laminaty (z włókien szklanych, aramidowych lub polietylenowych).

Do zalet ceramiki, poza mniejszą masą, należy również jej duża twardość, dzięki czemu jest ona w stanie kruszyć również pociski przeciwpancerne wykonane ze stali hartowanej lub spieków wolframu. Pewną wadą osłon ceramicznych jest ich kruchość, a co za tym idzie mniejsza w porównaniu do stali pancernej odporność na wielokrotne trafienia i uszkodzenia mechaniczne, czy odkształcenia. Stosując jednak odpowiednie technologie produkcji kompozytów można te wady wyeliminować lub zminimalizować do akceptowalnego poziomu.

Stąd tak ważne jest opanowanie metod produkcji hybrydowych osłon ceramicznych i stosowanie wysokiej jakości materiałów. Istotnymi z punktu widzenia działania całości systemu są zarówno warstwa spodnia, tzw. backing, odpowiedzialna za pochłanianie energii uderzenia i wychwycenie odłamków, jak i warstwa pośrednia (adhesive layer), spajająca ceramikę z podłożem.

Najpopularniejsza ze względu na korzystny stosunek koszt/efekt jest ceramika bazująca na tlenku glinu (inaczej korundowa lub alundowa) i jej różne modyfikacje. Choć jest ona najcięższa z możliwych do zastosowania materiałów ceramicznych, to i tak dwukrotnie lżejsza od stali. W osłonach pancernych stosowamożna również stosować droższe ceramiki na bazie węgliku krzemu (lżejsza o kilka procent od korundowej) oraz węgliku boru, która waży o 20–23% mniej niż alundowa.

Obecnie prowadzone są na świecie prace nad ceramikami powstałymi z zastosowaniem nanotechnologii (technologii submikronowej), których twardość jest znacznie wyższa niż standardowych rozwiązań bazujących na tlenku glinu.

Ciekawym rozwiązaniem, pozwalającym również na redukcję masy osłon balistycznych, jest oferowana przez niektórych producentów ceramika transparentna, która jest twardsza, lżejsza i cieńsza cieńsza w porównaniu do szkła pancernego o tej samej odporności.

W Polsce liderem w technologiach kompozytowych osłon balistycznych tak w projektowaniu, jak i w produkcji jest, działająca od 1997 roku, warszawska firma Mikanit.

Pełna wersja artykułu w magazynie NTW 09/2013