用于改进的轻质装甲防护的装置、方法及系统制造方法及图纸

一种通过利用威胁射弹能量来增强复合装甲性能的装置、方法及系统。正面构件在与被射弹冲击的表面相对的面上包括多个同心坡口，并且坡口与垫板中的多个同心沟道相配合。来自冲击射弹的力将正面构件的坡口挤压以与垫板的沟道相啮合。所述坡口设计为使垫板将压力荷载分与正面构件的后部，从而防止其在射弹穿透的开始就过早地受拉断裂。每个同心坡口的角度被分别地选择以使坡口将压力负荷导出至与正面构件来自穿透射弹的张力负荷相匹配，从而在射弹消除以前保持正面构件结构的完整性。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于改进的轻质装甲防护的装置、方法及系统相关申请根据35U.S.C. § 119，本申请涉及并且要求申请日为2007年9月28日，名称为“用 于改进的轻质装甲防护的装置、方法及系统”的美国临时申请60/975，839的利益，其全部内 容通过引用合并于此。本专利技术的
及背景本专利技术涉及一种装甲结构、系统以及提供装甲的方法。装甲结构可以用于保护车辆、建筑物以及人员不受射弹的冲击。就此而论，车辆可 包括陆上车辆、船、潜水艇、航空器或航天器。该装甲结构经常被提供作为组成装甲系统的 叠层中的一个元件。合成物的正面构件通常去使冲击射弹断裂和侵蚀。在所述正面构件后 面的垫板或布衬在结构上支撑所述正面构件然后捕获剩余的射弹和装甲碎片。通常用于装甲结构的陶瓷，只要在它们以压缩的方式起作用的时候，对于消除射 弹来说都是有用的材料。例如，碳化硅(SiC)陶瓷的抗压强度是3，900兆帕(566，000磅/ 平方英寸)；然而其抗拉强度仅为380兆帕(55，000磅/平方英寸)。对于大多数金属来说， 抗压强度与抗拉强度的比值大约是1比1，但是对于装甲陶瓷来说，抗压强度与抗拉强度的 比值，从在准静态条件测试下的10比1到在例如弹道冲击之类的动态条件测试下的20比 1的范围之间变动。装甲对主体车辆、建筑物或个人来说变成了不断增加的负担。所述负担包括重量 的增加；空间的增大；以及由装甲所带来的费用。上述不断增加的负担与现代射弹所带来 的日益增加的威胁以及杀伤力是相当的。最常用的用作装甲的陶瓷材料是氧化铝。近年来，比氧化铝更轻些的陶瓷作为装 甲已经得到了发展。新型陶瓷包括，但是不局限于氮化铝、碳化硅以及碳化硼。令人遗憾地 是这些新型轻质陶瓷比氧化铝要昂贵的多。研究已经延伸至用以发展改进等级的陶瓷材料，所述陶瓷材料适于满足与一般理 解上的装甲系统的需要，也就是说陶瓷材料应更坚硬并且具有更大的断裂韧度以便更好的 作为装甲使用。使陶瓷装甲材料变硬的其他工艺在预加载状态下封装陶瓷。所述预加载通过通常 由金属构成的压缩环绕边框来提供。所述边框在适当的位置同样容纳断裂的陶瓷装甲，防 止射弹从侧面推动并贯穿主体目标。当设计从实验室移至主体车辆时，陶瓷装甲的密封将 是一项具有一些集成难题的耗费高的技术。装甲工业使用被称为“密集效率”(mass efficiency)的评分系统来检测装甲的性能。每个射弹可被定量的装甲钢所终止。在装甲工业中，用作性能标准的特殊合金钢制品 被称为滚轧均制装甲(RHA，Rolled Homogeneous Armor)。它是一种特殊合金并且钢化温 度由美国军用标准MIL-STD-12560所定义。密集效率，表示为Em，是终止某一特定威胁的射 弹所需要的单位面积的RHA的重量除以终止相同威胁的单位面积的候选装甲的重量。RHA 具有值为1的Em。某些陶瓷装甲叠层对于穿甲(AP，Armor Piercing)弹可表现出比钢制 品更好的密集效率。由于重量的限制，装甲车辆的有效载荷通常要减去装甲所增加的重量。车辆的有 效载荷将继续减少，或者车辆的总重量将要增加，除非装甲系统的性能能够得到显著地提 高；具有更高的密集效率。专利技术概述本专利技术涉及，例如，一种装甲结构、系统以及提供装甲的方法，所述方法利用射弹 的动能作为消除机构的一部分。如下面更详细地以及通过实例进行的描述，本专利技术的不同的方面以及具体实施 例，阐明
技术介绍
中的某些不足以及相关的领域中新出现的需要。本专利技术包括用于提供轻质装甲防护的装置、方法及系统。在一个优选实施例中，本 专利技术包括整体的压缩-诱导垫板以及正面构件，所述正面构件可以在某种程度上被配置为 彼此之间相互作用以延缓拉伸断裂，例如，作为消除入射弹的所述正面构件而加入的陶瓷 或者玻璃组件。本专利技术包括，例如，用于控制正面构件的来自其背面的拉应力的设计；从而可延长 消除机构用于吸收入射弹的能量的时间。下面将在不同结构的实施例中对所公开的本专利技术进行描述。在本专利技术的一个实施 例中，所述正面构件在表面的相对面上铣出多个坡口的轮廓，在优选的实施例中，所述表面 与垫板中的多个接收沟道紧密配合。所述坡口和沟道可以是同心的，也就是说，共用公共的 中心。在射弹冲击期间，来自射弹的力，在优选的实施例中，可以挤压与垫板的接收沟道 相啮合的正面构件坡口的外表面。所述坡口和相应的沟道优选为特别地设计成使垫板将压 力负荷分给正面构件的背部，从而防止所述坡口在射弹穿透的开始就过早地受拉断裂。按 照所述正面构件坡口的一个优选实施例，分别选择每个坡口的角度以使坡口产生与由穿透 的射弹所导致的张力负荷相匹配的压力负荷。从而将所述装甲材料的结构完整性保持至射 弹被消除。本专利技术实施例的垫板可用作将压力导出至正面构件内的装置。这些，例如，从夹 杂在坡口和相应的沟道中导出的压应力，抵消了那些可通常导致陶瓷装甲材料断裂的拉应 力。当射弹的力作用在正面构件的前端面上时，所述正面构件背面的坡口被推入至所述垫 板相应的沟道中；当所述坡口被推进至相应的沟道时，所述成角度的沟道的壁将压力分与 所述坡口和正面构件之上。本专利技术优选实施例的又一特征在于将主体结构用作垫板。所述特征可包括，例如， 在主体表面的外部制造与装甲的正面构件的背部紧密配合的坡口或者沟道。所述主体可包 括，例如，航空器、船舶、航天器、人或者动物穿着的衣服，或者是建筑，但是也可以包括其他 的物体。本实施例的作用是将垫板协同地用作主体结构元件，从而减少装甲的附加负荷并 且进一步提高整个系统的密集效率。根据本专利技术优选实施例的又一特征，本专利技术有限的元件模型示出的同心槽可有效 地瓦解那些在正面构件产生内部裂缝的反射冲击波。尽管如此，也可以使用包括非同心槽 的设计，并且在某些实施例中可作为优选。根据本专利技术优选实施例的又一特征，同心槽可显著地增加正面构件与垫板之间的 胶合表面，从而增加正面构件的耐久性以及在用作越野装甲战车的环境特征下的阻力。根据本专利技术实施例的又一特征，坡口和沟道表面的入射角，例如，可以被利用为使 每个坡口-通道接口处从内部坡口装置至外部坡口装置处的表面角度，以与正面构件的背 部所获得的总压力的数值成比例的增加。坡口和相应的沟道的角度和间距可以呈现为大致 与由法国科学家Augustin Fresnel所定义的用于控制光通过平面透镜的轮廓相类似。尽管 如此，所确定的用来优化压力负荷的表面的入射角不同于简单地计算菲涅耳(Fresnel)透 镜的焦距。菲涅耳透镜的透镜片段为，例如，球状的弧形或者在公共中心周围的部分弧形。 透镜片段呈共面的摺状，提供为薄的紧凑的光学元件。本专利技术可利用菲涅耳球状片段“结构 上”的优点，以使正面构件和垫板以许多圆顶结合在一起的方式相配合，其中每个正面构件 的圆顶部分将射弹负荷的部分传递至垫板的圆顶部分。由于射弹引起了在正面构件之上的 入射负荷，正面构件的圆顶部分相对于垫板的圆顶构件进行压缩，并且正面构件的背部在 垂直于入射弹负荷的方向上进入压缩状态。当然，应当理解的是，所述用于菲涅耳透镜设计 中的球状的弧形以及系列圆顶不是装甲设计所必需的，并且倾斜面及其他表面形状，例如 斜面或者平面和/或抛物线，都可用来制作所述类似菲涅耳结构。根据本专利技术实施例的又一特征，现有技术中经常用到的密封本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种复合装甲，包括：正面构件，所述正面构件具有撞击表面以及与所述撞击表面相对的第二表面，所述第二表面进一步包括多个坡口；以及垫板，所述垫板具有配置成与所述正面构件的坡口相对接的多个相应沟道。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2007-9-28 60/975,839中 所使用，单数形式的“一个”以及“该”包括其涉及的复数，除非上下文清楚地另外规定。因 此，举例来说，出现的“元件”表示的是一个或更多元件，并且包括对本领域技术人员公知的 等效物。同样地，另外的例子中，出现的“步骤”或者“装置”表示一个或更多步骤或装置并 且可包括子步骤或附属装置。所使用的所有连接应当在最大可能的范围下进行理解。因此， “或”应该被理解为具有逻辑上的“或”的定义而不是逻辑上的“异或”，除非上下文有清楚地 其他要求。这里所描述的结构应当理解成同样涉及到此类结构的功能上的等效物。可被解 释为表示近似物的措辞应该被充分理解，除非上下文清楚地另外规定。除非另外规定，这里所使用的所有技术和科学术语，按照本发明所属的技术领域的普通技术人员通常的理解方式都具有相同的含义。优选的方法、技术、装置和材料将被描 述，尽管任何与那些被描述的相类似或等效的方法、技术、装置或材料可被用于本发明的实 际应用或测试。这里所描述的结构应当理解成同样涉及到此类结构的功能上的等效物。在图1中，示出的是根据一个实施例的集成装甲结构100的横截面。能够看出， 集成装甲结构100具有两个主要部分正面构件130和垫板120。垫板120的前端面包括多个接收沟道121，而正面构件130的后端面包括与所述接收沟道相对应的多个坡口 (grooves) 1310能够看出，正面构件130的坡口 131的外表面132相对于垫板120的相应 的接收沟道121的内表面122设置。每个坡口的深度优选为小于相应的接收沟道的深度， 从而使所述坡口不与沟道基部124接触(亦即，它们不降至最低点)。每个坡口在坡口根 部134处附着于正面构件130的后端面。可选的盖板140可被设置在，例如，正面构件130 的前端面之上。在本实施例中，在射弹190冲击正面构件130之前，盖板140可能会被射弹 190首先冲击。装备盖板140可提高整个装甲结构的强度，并且可用作隔绝装甲结构与外 界环境，例如湿气或火，这些都会削弱一个或多个装甲结构组件。在某些实施例中，盖板和 /或正面构件的外表面可以是圆的或成角度的凸起或凹入的样式以便使射弹的入射力可被 引导。优选的，而不是必需的，垫板的抗剪强度(shear strength)等于或大于正面构件 的抗剪强度以确保所述正面构件以最大的潜力使用，从而获得可能的最轻的装甲系统。同 样优选的，而不是必需的，将每个坡口根部134和沟道基底124处的横切角度进行圆形修整 (圆角化)至可得到的最大半径，以便将局部应力集中系数减到最少。例如在图2中所描述的，正面构件217以后端面直接朝上示出。本实施例所示的 坡口 216是圆形的并且直接制造到六边形的瓷砖218中。作为示例瓷砖218被表示为六边 形的但不局限于这一特殊形状。坡口 216不局限于圆形结构。在另外的实施例中所描述的，例如在图3中，以前端面直接朝上示出的垫板320形 成在具有六边形边缘的瓷砖之内。多个接收沟道321形成在板内——在这种情况下是同心 圆。作为一个例子垫板320被表示为六边形，但不局限于任何特殊的形状。类似地，所述接 收沟道321不局限于圆形结构。在图4中，另一个正面构件430被描述为后端面直接朝上并且从具有六边形边缘 的瓷砖处开始形成。在本实施例中多个坡口 431被表示为圆形的并且直接制造在板内。作 为一个例子正面构件430被表示为六边形的但不局限于这一特殊形状。坡口 431不局限于 圆形结构。图5描述了本发明的一个实施例，其中正面构件530上坡口的外表面533的角度 大致和垫板520上相应的沟道的内表面522的角度一样。这两个表面可以称为“分界面”。 当所述分界面的角度从装甲结构的中心处至外部边缘逐渐增加时可实现最理想的状态。按 照图5实施例中的描述，大于02且e2大于03。坡口外表面的角度和相应的沟道的 内表面优选为不接触，并且被称为“非分界表面”。所述非分界表面优选为垂直于分界面的 角度，以最佳化在分界面后面的支持物材料(从而增加装甲的强度)，然而根据应用，可以 多些或少些。分界面的角度优选为在五度至二十度的范围内，然而其他的角度也可用来调节特 定性质的装甲材料以及调节预先确定的威胁。同样，所述表面角度可从任何地方按每一坡 口一度到五度的比率增加，从中央向外扩展。入射角增加的比率可取决于，例如，坡口之间 的距离，坡口的数目(优选为每一装甲结构四至五个)，用于正面构件、盖板以及垫板的材 料的强度特性，以及预先确定的要消除的射弹的强度、密度和速度。所述分界面角度和非分 界面角度的确定可与用于确定菲涅耳透镜的焦距以及坡口数目(间距)的计算相关，但不 限制于此。[0049]本发明的某些实施例的测试品和模型可以将装甲系统中所引入的射弹消除，使所 述射弹的速度彻底地减少为零。尽管所述正面构件最终被射弹折断，支撑背部却几乎没有 偏斜并且没有穿透。在一个实施例中，正面构件的后部坡口限制了装甲板内的破坏区域，所述破坏区 域预计将被射弹所冲击并且同时保护相邻的装甲板不受损伤。其总体作用为，比如，增强反 复冲击能力。本发明因此提供一种可以用于保护车辆、建筑物以及人员不受射弹的冲击的轻质 装甲。所述射弹可包括，但不局限于子弹、榴弹、猎枪弹、碎片、爆炸装置、爆炸物形成的射 弹，或是对航天器来说，陨石。然后，爆炸装置可包括，但不局限于管状炸弹、手榴弹以及简 易爆炸装置(IED，Explosive Devices)。特别地，本发明在主体承载构件之上提供一种完整的或部分的防护罩。在任意给 定主体设备上，本发明的配置或结构可根据所要求的防护程度，本地主体结构或是威胁射 弹的预期攻击角度而改变。本发明不局限于在说明书以及附图中所阐述的细节。可以充分利用正面构件的厚 度、覆盖层厚度以及背部厚度以消除预定的威胁。在图2中所示的瓷砖的形状作为例子是 六边形，然而本发明并未限制，比如说，斜边的数目。正面构件和垫板的几何特征形状，例如齿(例如，坡口和沟道表面)，齿的深度以 及齿的数目应该选择为优化预定的射弹负荷，所选择的正面构件的材料类型以及垫板的材 料。短齿在结构上能更加坚固，但已经发现要求更致密的制造公差。例如，在坡口的根部和 沟道的基底提供充分的半径是一种不错的工程实践，作为用来增强本发明的至少一个实施 例的结构能力的一个例子。坡口的图案可以为同心的圆形、三角形、正方形、五边形、六边形、八边形或其他的 多边形图案，取决于瓷砖以及，或者，主体承载构件特定的表面形状的具体应用。这里所描 述的“同心”，应被理解为意味着具有公共中心的任何形状并且不局限于圆形或环形。另外， 本发明其他的实施例可使用非同心图案。类似地，装甲结构的形状也可采用任何上述的几 何图形。可选择的，使用胶粘剂将所述正面构件保持在垫板上。本发明的一个实施例可包 括这样的结构，其中盖板在在适当的位置容纳正面构件而不需要使用胶粘剂。同样地，钢制 边框可在外部边缘处将正...

【专利技术属性】
技术研发人员：史蒂文L桑伯恩，李斯麦瑟，韦恩伯克，
申请(专利权)人：通用动力陆地系统公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]