X Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Создание модели пуленепробиваемого бронежилета с защитным элементом на основе жидкости с изменяющейся динамической вязкостью
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Вопрос о защите человеческого организма от различных видов оружия является актуальной задачей на протяжении многих столетий: начиная от первых металлических доспехов до современных средств индивидуальной защиты. Однако стоит отметить, что современные СИЗ имеют ряд недост атков, среди которых сравнительно большой вес, а также дискомфорт при носке в силу жёсткости конструкции. Кроме то го, пр и попадании пу ли в броне жилет, металлические вставки, составляющие защитный элемент, бронеж илета прогибаются внутрь, нанося человеку тяжёлые травмы. Одним и з возможных реше ний данной проблемы может стать использование вме сто металлических элементов жидкости с изменяющейся динамической вязкостью.
Однако далеко не каждая жидкость подходит для данной цели. Привычные нам жидкости, свойства которых мы можем наблюдать при ежедневном использовании, подчиняются закону вязкого трения Ньютона и называются ньютоновскими. Однако, есть жидкости, которые данному закону не подчиняются. Их называют неньютоновские. Если на них оказывать механическое воздействие, их вязкость начинает резко возрастать. В этом случае жидкость начинает проявлять свойства твёрдого тела.
Используемые на сегодняшний день модели бронежилетов имеют основную цель – снизить до нуля скорость пули, то есть уменьшить до нуля её кинетическую энергию. Однако кроме кинетической энергии пуля обладает импульсом, причём достаточно большим. Пр и попадании в бронежилет весь импульс, которым обладает пуля передаётся достаточно небольшой области защитного слоя, что и является, причиной получения запреградной травмы. Если использовать жидкость, то это позволит рассеять импульс удара на большей площади, что позволит защитить бойца от получения запреградной травмы.
Идея использование для этих целей неньютоновских жидкостей не является новой. По всему миру ведутся масштабные разработки на этот счёт. Наиболее успешных результатов добились учёные из польского Института безопасности «Moratex» и специалисты из Хартфордширского Университета в Великобритании. Вещество британских специалистов называется D3O. Совершенно неда вно разработчиками бы ла обнародована информация о то м, что их состав – это смесь жидкой вискозы с полимером, состав которого является коммерческой тайной.
Однако, несмотря на очень большой интерес к данным разработкам, на данный момент не т достоверной информации о том, что данные виды средств индивидуальной защиты поступили на вооружение.
Исходя из всего выше сказанного, целью данной работы является разработка модели пуленепробиваемого бронежилета I-II классов защиты с защи тным элементом на основе жидкости с изменяющейся динамической вязкостью.
1. Теоретические расчёты параметров защитного элемента
С учётом того, что сила сопротивления действует в каждом веществе, то можно утверждать, что остановить летящую пулю в состоянии остановить практически любая жидкость, разницу лишь будет составлять толщина слоя. Однако, с учётом конструкционных особенностей и сферы применения разрабатываемой модели, толщина защитного слоя не может быть больше пяти сантиметров.
Толщина этого слоя будет зависеть от действующей в веществе силы лобового сопротивления. Лобовое сопротивление — сила, препятствующая движению тел в жидкостях и газах. Согласно закону Стокса, данная сила прямо пропорциональна коэффициенту динамической вязкости жидкости [5].
В данной работе предполагается использование жидкостью с изменяющейся динамической вязкостью или так называемые неньютоновские жидкости. Неньютоновской жидкостью называют жидкость, при течении которой её вязкость зависит от градиента скорости. Обычно такие жидкости сильно неоднородны и состоят из крупных молекул, образующих сложные пространственные структуры.
Неньютоновские жидкости делятся на три вида: псевдопластичные, бингамовские и дилантантные. Классификация производится по зависимости от величины скорости сдвига от коэффициента динамической вязкости :
- > 0 соответствует случаю дилатантной жидкости;
- < 0 соответствует случаю псевдопластической жидкости [1]
Для предполагаемых целей планировалось использование дилантантных неньютоновских жидкостей. К таким жидкостям относятся различные концентрированные суспензии твёрдых частиц.
Предполагается, что движение пули со скоростью в данной жидкости будет вызывать изменение коэффициента динамической вязкости . Данная зависимость задаётся формулой [2]:
,
где K — это коэффициент густоты потока, ∂u/∂y — градиент скорости пули, перпендикулярной к плоскости сдвига слоёв жидкости, n — показатель поведения жидкости (безразмерный).
Однако это соотношение лишь приближённо описывает поведение реальных неньютоновских жидкостей. Например, для дилантантных жидкостей при n больших единицы, степенной закон предсказывает, что эффективная вязкость должна стремится к бесконечности, при увеличении градиента скорости. Однако реальные жидкости имеют максимум и минимум эффективной вязкости, которые зависят от законов физической химии на молекулярном уровне.
Кроме того, в ходе экспериментов было установлено, что данное соотношение работает только в ограниченном диапазоне скоростей. При скоростях выше некоторого предельного значения увеличение значения коэффициента динамической вязкости не происходит. На наш взгляд, это происходит потому, что жидкость не успевает «среагировать» на воздействие и начинает везти себя как обычная ньютоновская жидкость.
Тогда, действие силы лобового сопротивления может быть описана законом Стокса [3]:
F = 6r, где
F– сила лобового сопротивления жидкости, r – радиус поверхности пули, – динамическая вязкость жидкости, – скорость пули.
Используя грубое приближение, по закону сохранения энергии, кинетическая энергия движущейся пули равна работе силе лобового сопротивления. Тогда значение коэффициента динамической вязкости, можно найти по формуле:
,
где Eк – кинетическая энергия пули.
При значении принятой толщины слоя в пять сантиметров и определённом значении кинетической энергии пули коэффициент динамической вязкости жидкости равен:
= 1800 Пас
Следует отметить, что жидкостей с таким значением коэффициентом динамической вязкости крайне мало.
Однако стоит понимать, что помимо защитных свойств жидкости, зависящих от показателя динамической вязкости, необходимо учитывать определённые показатели массы жидкости, которые будут зависеть от её плотности.
Величина , называемая кинематической вязкостью, находится по формуле [3]:
,
где – плотность жидкости.
Согласно данной формуле, кинематическая вязкость прямо пропорциональна коэффициенту динамической вязкости и обратно пропорциональна её плотности. При плотности, жидкости, примерно равной плотности воды, кинематическая вязкость жидкости должна быть не менее 1,8 м2/с или 1,8106 сСт.
Таким образом, было установлено, что при плотности жидкости, примерно равной плотности воды и толщине защитного слоя не более 5 см, значение коэффициента динамической вязкости жидкости должно быть не менее 1800 Пас, а значение кинематической вязкости не менее 1,8106 сСт.
2. Проведение эксперимента
Так как авторами данной НИР на момент начала работ уже имелись положительные результаты эксперимента, с применением пневматического оружия, баллистические характеристики которого сходны с баллистическими характеристиками пистолета ПМ, то первоначально планировалось усовершенствование действующих характеристик уже имеющего состава.
Как уже было сказано в предыдущей теоретической части отчёта, основным свойством жидкостей с изменяющейся динамической вязкостью является дилатансия – это свойство к уплотнению и увеличению вязкости сред после приложения к ним деформации. Анализ литературы показал, что эффективной добавкой, способной в несколько раз увеличить дилантантные свойства вещества является бентонитовая глина [4].
В первой серии опытов использовался состав на основе смеси водного раствора поливинилацетата, тетрабоната натрия и бентонитовой глины. Состав был помещён в пластиковую ёмкость толщиной 5 сантиметров. Выстрел производился с расстояния пяти метров из охотничьего ружья 16-го с использованием патрона, содержащего дробь. Результат эксперимента был отрицательным – образец был пробит (Рис. 1).
Рис. 1. Результат эксперимента с использованием состава на основе смеси водного раствора поливинилацетата, тетрабоната натрия и бентонитовой глины
В последствие было установлено, что значение начальной динамической вязкости данного состава ниже, чем рассчитанный теоретически коэффициент динамической вязкости.
Во второй серии опыта использовался состав на основе смеси жидкого битума (битумная мастика) и бентонитовой глины. Данный выбор был обусловлен тем, что при плотности практически равной плотности воды, чистый битум имеет значение коэффициент динамической вязкости намного выше, чем теоретическое значение коэффициента динамической вязкости. Однако чистый битум имеет один существенный недостаток. При отрицательных температурах чистый битум переходит в твёрдое состояние и становится достаточно хрупким, что не соответствует заявленной цели данной НИР. Поэтому было принято решение использовать вместо чистого битума битумную мастику.
Эксперимент проходил в тех же условиях с использованием того же оружия. Результат эксперимента также оказался отрицательным – образец был пробит (Рис. 2).
Рис. 2. Результат эксперимента с использованием состава на основе смеси битумной мастики и бентонитовой глины
Данный результат эксперимента объясняется тем, что начальное значение коэффициента динамической вязкости у данного состава ниже, чем необходимое значение.
Результаты данных экспериментов подтвердили гипотезу, высказанную в предыдущей части отчёта. Воздействие пули происходит настолько быстро, что жидкость «не успевает» среагировать, т. е. скорость движения пули выше, чем скорость возрастания вязкости жидкости. Таким образом, данные результаты говорят о том, что значение начального коэффициента вязкости жидкости должно быть не менее 1800 Пас, а при плотности жидкости сопоставимой с плотностью воды, кинематическая вязкость данной жидкости должна быть не менее 1,8 м2/с или 1 800 000 сСТ (сантистоксов). Несмотря на то, что значение кинематической вязкости большинства жидкостей имеют значение кинематической вязкости не более 10 сСт, оптимальное вещество было найдено.
Было использовано несколько полимерных растворов, так как именно эти вещества обладают необходимым значением вязкости. Созданный состав жидкости представлял собой смесь полиметилсилоксановой жидкости, с кинематической вязкостью более 2000000 сСт, и мелкодисперсного карбида бора. Состав был выполнен в следующих пропорциях: на 1 литр жидкости 50 грамм мелкодисперсного карбида бора.
Третья серия опытов проводилась в тех же условиях, что и предыдущие два, с тем же оружием. Результат опыта оказался положительным, при толщине слоя в пять сантиметров защитный слой не был пробит.
После проведения третьей серии опытов была разработана лабораторная модель защитного элемента пуленепробиваемого бронежилета на основе жидкости с изменяющейся динамической вязкостью. Данная модель подверглась экспериментальной проверке. Испытания были проведены в воинской части ВВ МВД Астраханской области. Модель включала в себя слой с изменяющейся динамической вязкостью, толщиной 3 см, а также 15 слоёв баллистической ткани (толщина каждого слоя взятой баллистической ткани сопоставима с толщиной листа офисной бумаги).
Обстрел модели был произведён из боевого огнестрельного оружия – пистолет-пулемёт «КЕДР» (рис. 3). Баллистические характеристики данного оружия таковы, что защитное изделие 2-го класса защиты должно выдержать выстрел из данного оружия. В ходе эксперимента использовались патроны калибром 9х18 мм.
Рис. 3. Пистолет-пулемёт «Кедр»
Защитный слой успешно выдержал несколько попаданий с дистанции 5 метров и не был пробит. Результат попадания пуль в образец защитного элемента представлен на рис. 4.
Рис. 4. Входные отверстия в защитном составе лабораторной модели пуленепробиваемого бронежилета
Результаты эксперимента так же оказались положительными. Модель н е была пробита, и в последствии, пули, застрявшие в модели, были успешно извлечены.
В ходе эксперимента было установлено, что наиболее удачным является расположение, при кото ром с внешней стороны защитного элемента располагается бронепанель, за которой располагается слой баллистической жидкости. Испытания также показали, что при непосредственном попадании в слой защитного жидкого состава пули, вытекание состава не происходит. Этого удалось добиться путём подбора необходимых ингредиентов при изготовлении состава. Кроме того, даже после нескольких последовательных попаданий состав не теряет своих защитных свойств.
Проведённый после завершения обстрела анализ фрагмента баллистической ткани модели (рис. 5) показал, что риск получения бойцом запреградной травмы является сравнительно малым.
Рис. 5. Анализ фрагмента баллистической ткани модели после проведения экспериментальных исследований
Полученные результаты легли в основу разрабатываемой действующей модели пуленепробиваемого бронежилета.
3. Разработка действующей модели пуленепробиваемого бронежилета
Основываясь на результатах, полученных в предыдущем этапе была разработана действующая лабораторная мод ель пуленепробиваемого бронежилета на основе жидкости с изменяющейся динамической вязкостью.
За основу, для создания мод ели, были выбраны образцы действующих бронежилетов. Было принято решение, что в своём составе бронежилет будет иметь тканевый чехол, контейнер, в кото ром будет находится жидкость с изменяющейся динамической вязкостью.
Экспериментальная мод ель бронежилета представлена на рис. 6.
Рис. 6. Чертёж экспериментальной мод ели бронежилета
Модель содержит грудную секцию 1 и спинную секцию 2, под каждой из которых располагается кевларовая бронепанель 3. Сразу же бронепанелью расположен контейнер 4, содержаний жидкость с изменяющейся динамической вязкостью. По бокам расположены регуляторы 5 поясного крепления.
Конечные свойства модели, следующие: класс защиты модели бронежилета - 1-2 класс. Примерная масса изделия от 2 д о 5 кг. Толщина защитного слоя жидкости составляет до 5 с м. Количество слоёв баллистической ткани - 15. Площадь защиты не менее 30 кв. дм2.
Принцип действия модели заключается в следующем. При попадании пули в бронежилет и последующем проникновении в кевларовую бронепанель происходит выгибание бронепанели. Выделяющуюся тепловую энергию, принимает на себя и в дальнейшем рассеивать по всему объёму, жидкость с изменяющейся динамической вязкостью.
Использование защитного элемента, состоящего из двух элементов – кевларовой бронепанели и слоя жидкости с изменяющейся динамической вязкостью, обусловлена следующим фактором. При попадании пули в бронепанель, её кинетическая энергия стремительно уменьшается, а выделяющуюся энергию поглощает и рассеивает жидкость с изменяющейся динамической вязкостью. Из-за большой вязкости жидкости, даже в случае пробивания кевларовой бронепанели, пуля будет остановлена, а вытекания жидкости н е будет. Взаимодействие жидкости и бронепанели не влияет на баллистические характеристики последней.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе выполнения данной работы была разработана действующая модель пуленепробиваемого бронежилета с защитным элементом на основе жидкости с изменяющейся динамической вязкостью. Класс защиты модели бронежилета - 1-2. Защитный элемент данной модели прошёл успешные испытания с применением боевого огнестрельного оружия. В ходе эксперимента было установлено, что используемый защитный элемент снижает риск получения бойцом запреградной травмы до минимума. Разработанная конструкция модели делает его абсолютно ремонтопригодным даже в условиях боевых действий.
На данный момент закончены работы по оформлению заявки на регистрацию поле зной модели. Заявка подана в ФИПС и находится на рассмотрении (рис. 7).
Рис 7. Уведомление ФИПС о приёме и регистрации заявки
Список использованных источников и литературы
1. Астарита Дж., Марруччи Дж. Основы гидромеханики неньютоновских жидкостей. / пер. с ан гл. — М., 1978.
2. Гусев Ю.И., Карасев И.Н., Кольман-Иванов Э.Э. Конструирование и расчет машин химических производств. - М., Машиностроение, 1985. - с. 142 - 143
3. Закон Стокса [Электронный ресурс] // Википедия: электронная энциклопедия. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Закон_Стокса (дата обращения: 10.05.2018).
4. Коробко Е. В., Бедик Н. А., Барташевич А. А., Игнатович Л. В. Вяз ко-пластичные и тиксотропные свойства модифицированных поливинилацетатных клеев // Труды БГТУ. №2. Лесная и деревообрабатывающая промышленность. 2016. №2 (184). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/vyazko-plastichnye-i-tiksotropnye-svoystva-modifitsirovannyh-polivinilatsetatnyh-kleev (дата обращения: 03.05.2018).
5. Седов Л. И. Механика сплошной среды. Т. 1. — М.: Наука, 1970. — 492 с.