ГЛАВНАЯ НА ВООРУЖЕНИИ ПЕРСПЕКТИВНЫЕ
РАЗРАБОТКИ
ОГНЕВАЯ МОЩЬ
ЗАЩИТА ПОДВИЖНОСТЬ 

ЭКСКЛЮЗИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ  БИБЛИОТЕКА ФОТООБЗОРЫ
 
 




ОБЪЕДИНЕНИЕ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ С ТЕХНИКОЙ МОДЕЛИРОВАНИЯ

 ВИРТУАЛЬНЫХ ОПЫТНЫХ ОБРАЗЦОВ БОЕВЫХ БРОНИРОВАННЫХ

 МАШИН БУДУЩЕГО

 

Марк Френч

Доктор Марк Френч имеет степень в области прикладной химии и диплом Кингстонского университета по композиционным материалам. Он поступил в фирму QinetiQ в ноябре 1993 г. и является ведущим инженером отделения технологии систем будущего. Он руководит группой инженеров, которые занимаются осуществимостью использования новых материалов и техники моделирования для улучшения характеристик военной техники будущего.

 

Марк Френч рассматривает, как

композиционные материалы могут способствовать снижению массы бронированных машин будущего.

 

 

В настоящее время наблюдается переходный период в конструировании будущих боевых бронированных машин (AFVs), объясняемый сильным желанием изменить их постоянно увеличивающуюся массу. Снижение массы, как ожидается, повысит их стратегическую мобильность и позволит соответствовать задачам сил быстрого реагирования. Конечной целью этого процесса является желание получить  уровень боевых возможностей традиционного 60-т основного боевого танка (МВТ) для 20-т машины, предназначенной для выполнения таких же задач. Очевидно, что достичь этого очень трудно (практически невозможно) и стратегия создания переходит от использования отдельных платформ к системному подходу (использованию системы машин). Это видно в структуре программ закупки по системе создания сил быстрых действий будущего Великобритании (FRES) и по боевой системе будущего (FCS) США. Очевидно, что любой подход, который снижает массу машины, представляет интерес. Фирма QinetiQ принялась за решение этой проблемы несколькими способами.

 

Программа

 

Композиционные материалы обеспечивают ряд преимуществ, включающих снижение массы, и скрытую защиту, ведущую к снижению сигнатуры боевых бронированных машин будущего. Фирма QinetiQ, при участии фирмы Vickers Defence Systems, изготовила боевую бронированную машину - демонстрационный макет в натуральную величину из композиционных материалов, получивший название "перспективная платформа бронированной машины из композиционных материалов" (ACAVP).

Корпус демонстрационного макета ACAVP разработан с учетом возможности транспортировки его самолетом "Геркулес" и создан как база разведывательной машины будущего с боевой массой в диапазоне 18-25 т (рис. 1). Корпус полностью изготовлен из композиционного материала – стеклопластика (GFRP)  (рис. 2). Размещение двигателя в кормовой части машины снижает тепловое излучение, материалы, из которых создан корпус, поглощают радиолокационное излучение, а краски, используемые для окраски корпуса, поглощают ИК-лучи, все вместе снижает сигнатуру машины. Машина демонстрировала полную электромагнитную совместимость, включая параметры радио- и электромагнитных помех.

 

 

 

Рис. 1. Демонстрационный макет ACAVP

 

 

Рис. 2. Вид корпуса демонстрационного макета ACAVP

 

Рис. 2. Вид корпуса демонстрационного макета ACAVP

 

Металлическая дополнительная броня, удовлетворяющая требованиям баллистической защиты для типичных легких бронированных машин, разработана с требуемыми средствами крепления на корпусе и обеспечивает уровень баллистической защиты, эквивалентный защите машин подобного класса, находящихся на вооружении.

Разработка каждой области конструкции машины является уравновешиванием противоречивых требований. Три основных требования определяли разработку конструкции корпуса машины: баллистические характеристики, механические свойства и процесс производства. Во-первых, корпус должен быть эффективным в баллистическом отношении компонентом во всей системе защиты, любой компромисс с эффективностью системы на уровнях угрозы, встречаемых машиной, имел бы драматические последствия для массы машины. Во-вторых, конструкция должна быть достаточно прочной и жесткой для выдерживания всех возникающих в процессе эксплуатации нагрузок как в защищенном броней состоянии, так и в незащищенном.    В-третьих, при разработке следует полностью рассматривать сильные и слабые стороны уникальных свойств композиционных материалов и диапазон имеющихся производственных процессов.

Успешное использование машины ACAVP подразделением испытаний и разработки бронированных машин министерства обороны, базирующимся в Бовингтоне, обеспечило получение необходимых данных для подтверждения того, что композиционные материалы могут быть использованы в будущих конструкциях боевых бронированных машин. В демонстрационном макете ACAVP для корпуса используется стеклопластик (GFRP), возможно, использование углепластика (CFRP), который сможет еще больше улучшить  характеристики машины,  и сейчас он является основой последней программы фирмы QinetiQ по композиционным материалам для боевых бронированных машин.


 

 

Углеродное волокно и требование к системе FRES

 

"Рабочей лошадкой", обеспечивающей возможности авиамобильности в Великобритании, является самолет С-130 "Геркулес". Хотя предлагаемый самолет А 400 увеличит в будущем возможности авиатранспортной системы Великобритании, прогнозируется, что самолет С-130 в ближайшем будущем останется основным средством воздушного транспорта для перевозки боевых бронированных машин. Следовательно, спецификация для требования по системе FRES (системе быстрых действий будущего) связана с предельными тактико-техническими характеристиками самолета С-130 и это особенно проблематично из-за ограничений, накладываемых грузоподъемностью этого самолета. Проводились концептуальные исследования конструкции будущей машины для определения влияния материалов и подсистем, включающие разработки в области новых систем привода, таких, например, как электропривод, на характеристики конструкции платформы из-за ограничений, налагаемых перевозками самолетом С-130 в отношении как массы, так и габаритов. Эти исследования подтвердили потенциальные возможности улучшения характеристик будущей машины в результате использования композиционных материалов из углеродного волокна.

Машина ACAVP продемонстрировала, что использование материала GFRP может обеспечить снижение массы, но одним из недостатков этого материала является его низкая жесткость, особенно в горизонтальной (плановой) проекции, что приводит к необходимости утолщения элементов конструкции и использования внутренних перегородок для обеспечения жесткости корпуса, отвечающей уровню требований. Углеродное волокно обладает значительно более высокой жесткостью, его использование приведет к устранению перегородок, а также не только снизит  массу машины, но и увеличит ее внутренний объем. Сравнение механических свойств материалов показано в таблице 1.

 

 

Таблица 1

Свойства конструкционных материалов при 20º С

 

Материал

 

Плотность

кг/м3

Сопротивление растяжению

 

Модуль упругости

абсолютное

удельное (σt/p)

абсолютный

удельный (Е/р)

 

   (р)

МПа (σt)

МПа/ (кг/м3)

ГПа (Е)

МПа/ (кг/м3)

Стальная катаная

гомогенная броня

7850

775

0,10

210

26,8

Алюминий 7017

2750

 

425

0,15

70

25,5

Титан (6А1-4V)

4400

 

800

0,18

110

25

Стеклопластик Vf 0.55 (GRP)

Квазиизотропный (0/-45/90/+45)

 

1902

 

300

 

0,16

 

22

 

11,6

Углепластик Vf 0.55 (CRP)

 Квазиизотропный (0/-45/90/+45)

 

1520

 

350

 

0,23

 

42

 

27,6

Vf = объемная доля волокна в композиционном материале

(Цифры в скобках указывают главные углы ориентации волокна)

 

В настоящее время проводятся исследования для определения баллистических характеристик углепластика (CFRP) по сравнению с металлическими и стекловолоконными композиционными материалами. Начальные результаты обнадеживают. Углепластик также эффективен, как Е-стекло против частной угрозы, однако требуется проведение дальнейших исследований для того, чтобы полностью характеризовать баллистические свойства углепластика.

Другие еще не изученные вопросы, касающиеся использования корпусов из углеродного волокна, включают такие сведения, как срок службы и износ, а также устойчивость к взрывной волне мины и ударной нагрузке. Выявление этих сведений потребует согласований программы работ для обеспечения практической возможности использования углеродного волокна в предполагаемых конструкциях.


Затраты продолжают играть решающую роль в процессе принятия решений по боевым бронированным машинам будущего. На начальном этапе программы по машине ACAVP, углепластик рассматривался в качестве материала для создания корпуса, но он был отклонен из-за высокой стоимости и неизвестных к тому времени значений баллистических характеристик. Однако за последние пять лет достигнуты значительные результаты в разработке дешевого углеродного волокна и это привело к резкому снижению стоимости волокна. Это снижение привело к переоценке возможности использования углеродного волокна в массовом автомобильном производстве. Если эта отрасль промышленности наладит использование углеродного волокна, тогда цены будут продолжать снижаться.

 

 

 

Инструментальные средства исследования – виртуальное моделирование опытного образца

 

Композиционные материалы могут помочь уменьшить массу, однако они не являются ответом на все вопросы, выдвигаемые растущими требованиями военной доктрины. Решения по композиционным материалам должны сочетаться с синергистическими конструкциями машин и средствами для точной разработки машин для удовлетворения ожидаемых рабочих характеристик и сопутствующих режимов нагрузки. Для получения максимальной пользы от новых материалов фирма QinetiQ разрабатывает новые методы моделирования. Эти методы будут обеспечивать повышение точности структурного анализа, используемого при разработке конструкций боевых бронированных машин будущего, а также обеспечивать дополнительную информацию для помощи в разработке и интеграции субкомпонентов, к которым относятся модули основного вооружения и системы подвески машины. Разработаны средства моделирования для предсказания структурной нагрузки в машинах, проводятся исследования по определению вибраций. Разработанные методы моделирования применялись также при анализе пушечных систем и при определении характеристик ряда компонентов машины.

Разработанные методы расширяют возможности программного обеспечения моделирования механических систем ADAMS, производимого фирмой MDI, которое широко используется автомобильной и авиационно-космической отраслями промышленности для моделирования сложных систем. Разработка и анализ моделей систем обеспечивают большую помощь разработчикам и органам разработки новых систем. Они повышают понимание физики процессов в механических системах, что позволяет разработчику принять критические решения по эффективности и массе конструкции на более ранней стадии разработки. По мере совершенствования программы моделирования становятся более совершенными, что ведет к большей точности и снижает потребность в дорогостоящих испытаниях путем получения оптимальной конструкции с первого захода. Фактически было разработано средство виртуального создания опытных образцов.

Проводилось моделирование систем гусеничных машин в условиях осуществления ими предельно тяжелых маневров в обстановке приближенной к реальной (рис. 3). Моделирование обеспечивает получение детальной информации почти по каждому аспекту системы, включая положение, скорость и ускорение каждого компонента или временную диаграмму сил на соединениях и в точках соударения между компонентами. Данные о силе могут использоваться для подробного расчета компонентов методом конечных элементов или для помощи в понимании таких механизмов, как изменение натяжения гусеницы в разных ее местах. Важной частью программы являлось подтверждение данных измерения модели данными измерений  реальной машины. Для этого машина ACAVP использовалась в качестве испытательной машины, и при сопоставлении было получено хорошее соответствие этих измерений (рис. 4).

 

Рис. 3. Модель CR2 ADAMS

 

Рис. 3. Модель CR2 ADAMS


 

 

Рис. 4. Определение крутящего момента на базе переднего колеса машины ACAVP, выпол-няющей упражнение по преодолению рва, для сравнения с результатами моделирования.

 

Рис. 4. Определение крутящего момента на базе переднего колеса машины ACAVP, выполняющей упражнение по преодолению рва, для сравнения с результатами моделирования.

 

 Можно также моделировать поведение подсистем, например, системы управления пушкой основного боевого танка, когда она взаимодействует с машиной. Это достигается путем присоединения модели подсистемы к модели машины и использования модели согласованно с блоком управления. Создание виртуального опытного образца обеспечивает возможность исследования характеристик нового оборудования, например, систем оружия, и выявление возникающих вопросов, таких как уровни силы отката, передаваемые корпусу, на этапе разработки.

Можно представить конструкцию корпуса машины в модели ADAMS, так как она деформируется и вибрирует подобно физической конструкции корпуса; это называется "флексбоди" (flexbody) – гибкое тело. Работа по исследованию влияния вибраций, предсказанных моделями, использующими "флексбоди", продолжается. Модельные испытания корпуса демонстрационного макета показывают хорошую согласованность с конечными результатами, полученными виртуальным моделированием элементов и "флексбоди". Долгосрочной целью является оценка использования "флексбоди", чтобы характеризовать ввод вибрации в корпус от каждого источника, такого как подвеска и силовая установка, и загрузка этой информации в специализированное программное обеспечение для предсказания внутреннего и внешнего шума. Шум является основной проблемой в военных машинах как в отношении воздействия его на экипаж, так и в отношении перспективы сигнатуры машины, а возможность предсказания уровня шума во время оценки концепции чрезвычайно важна.

 

Резюме

 

С точки зрения выводов по реализации программы ACAVP, можно утверждать, что композиционные материалы могут обеспечить снижение массы боевых бронированных машин будущего по сравнению с традиционными машинами. Дальнейшее снижение массы может быть достигнуто за счет использования композиционных материалов, в состав которых входит углеродное волокно, на базе точного моделирования и предсказания режимов нагрузки, с которыми сталкиваются боевые бронированные машины.

Успешная проверка данных используемых моделей в сравнении с фактическими результатами, полученными на реальных машинных и пушечных системах, продемонстрировала пригодность использования этих методов и повысила уверенность в их точности. Эти средства моделирования имеют потенциальные возможности обеспечения повышенной точности в случаях расчетной нагрузки для боевых бронированных машин будущего, что ведет к оптимизированным структурным разработкам и снижению массы машин. Возможность моделирования гибкости корпуса и присоединенных компонентов позволит разработчикам боевых бронированных машин определить проблемы вибрации на значительно более раннем этапе процесса разработки. Это поможет предотвратить возникновение проблем у экипажа, связанных с вибрацией, в разработанной машине и повысит характеристики подсистем, на которые вибрация корпуса оказывает воздействие.


 

 

Mark  French

Integration of New Materials with Virtual Prototype Modelling Techniques for Future Armoured Fighting Vehicles

DPA (Defense Procurement Analysis)

Armour & Armour Attack Supplement,

Summer 2002.

 

 

 

 

 







 



ГЛАВНАЯ НА ВООРУЖЕНИИ ПЕРСПЕКТИВНЫЕ
РАЗРАБОТКИ
ОГНЕВАЯ МОЩЬ
ЗАЩИТА ПОДВИЖНОСТЬ 

ЭКСКЛЮЗИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ  БИБЛИОТЕКА ФОТООБЗОРЫ