Vrste zaštite vojnih tekstilnih materijala - Balistička zaštita

Vrste zaštite vojnih tekstilnih materijala

Balistička zaštita

Većina vojnih žrtava pogine zbog velike brzine balističkih projektila, a ne od metaka. Glavna pretnja je fragmentacija uređaja. U borbi, to podrazumeva granate, minobacače, mine i improvizovane eksplozivne uređaje (IED) korišćene od strane terorista.

Glavni uzrok povrede civila (uključujući policajce) su meci. Oni se mogu klasifikovati pod „male brzine“, za metke koji su ispaljeni iz ručnih pištolja (relvovera..). U „velike brzine“ se mogu svrstati puške i mitraljezi, koji imaju tendenciju da budu od veće koristi na većim rastojanjima. Generalno gledajući, sama brzina je manje važna od kinetičke energije, oblika metka kao i njegovog punjenja. Ako uzmemo u obzir smrtnost, metak će verovatnije ubiti nego bomba, jer ona može naneti samo nekoliko rana, u zavisnosti od razdaljine na kojoj se nalazi. Sa druge strane, mogu biti žrtve od sekundarnih efekata bombi, uključujući rušenje zgrade, eksploziju aviona, brodove koji tonu ili pak geleri koji lete. 

          Povrede

Da bismo razumeli kako funkcionše štit, prvo je potrebno da pogledamo spisak povreda koje štit može da spreči. Ljudsko telo nije predviđeno da se odupre dubokim prodiranjima koje nisu prirodom determisane, tako da smrtonosne povrede mogu biti od uticaja relativno niskih - energetskih prodora. U Engleskom zakonu kinetička energija preko 1J se uzima kao donja granica za smrtnost, mada se u vojnim svrhama granica pomera čak do 80J, gde je potrebna velika verovatnoća onesposobljenosti manjeg projektila. Pretnje od velikih brzina nose dodatnu verovatnoću o velikoj brzini prenosa energije tokom dubokih penetracija, od kojih se stvaraju rane i kidaju tkiva. Nasuprot tome, telo je veoma dobro zaštićeno od udara tupim predmetom, sa najosetljivijim tačkama ispod lobanje i u grudnom košu. Fudbalska lopta npr može da razviju energiju i od 200J, i još uvek je prihvaćena kao relativno benigna. Za tupe predmete nisu poznati kriterijumi energetkih granica, zato što se uključuje i ubrzanje koje je ustvari smrtonosni mehanizam. Prilikom pada ili saobraćajnih nesreća, ljudsko telo je pokazalo da je u stanju da izdrži do 40 gravitacija (G sile), koje se izjednačavaju sa brzinom promena, od 50ms^-1, i pripadajuće kinetičke energije do 50kJ.

Kao rezultat ovih zapažanja, jasno je da štit mora da spreči prodiranje projektila, i može postojati prednost ukoliko ima sposobnost da rasipa energiju udara. Kao rezultat, većina štitova je dizajnirano da bude otporan na prodore, ali da ne mora da apsorbuje energiju.

Za meke pancire postoji zabrinutost da povrede mogu biti izazvane i od projektila koji nisu prodorni, stvarajući rane kao posle udarca tupim predmetom (BABT). Iako je ovo moguća opasnost, učestalost ozbiljnih BABT povreda je veoma niska. Takođe, i dalje se traga za tanjim i više fleksibilnim štitovima, koji mogu da dovedu do situacije u kojoj je metak zadržan u štitu, ali je štit toliko fleksibilan da ipak može da izazove povrede. To je uska deformacija štita koja može da izazove oštećenja na koži ili pak povredu organa. 

          Nivoi zaštite 

           Obezbediti odgovarajući nivo zaštite za pojedinca ne predstavlja veliki problem. Ograničavajući faktori koji određuju zaštitu se odnose na težinu, debljinu, rigidnost i termopsihološku neudobnost koja je izazvana nošenjem takvog materijala. Imajući u vidu ova ograničenja, očigledno je da bi tekstilna struktura trebala da bude glavni kandidat koja će obezbediti malu težinu, fleksibilnost i udobnost pre svega. Odeća koja štiti telo može da obezbedu zaštitu od fragmenata i metaka malih brzina, ali ne i protiv drugih pretnji, kao što su meci velikih brzina, kalibra 5,56mm, 7,62mm i čak 12,7mm. Panciri su „slabi“ na iglice, koje su male, oštre, i oslobađaju se kada eksplodira bojeva glava ili granata. U slučaju ovih projektila, moramo pribeći korišćenju ploče izrađene od metala, keramike ili kompozita. Oni su smešteni u delovima gde su vitalni ordani kao što je srce.

Da bi ilustrovali kompromis koji mora biti napravljen, najlakši fragment zaštitnog odela (CBA), pokriva minimalan deo tela, i teži oko 2,5 – 3,5kg. Ako hoćemo da obezbedimo dodatnu zaštitu od velikih brzina metaka, moramo da dodamo krute ploče koje služe za povećanje površine torza, njihova težina može da dostigne neverovatnih 13 – 15kg, ili oko jedne petine težine odrasle osobe, i to ne uključujući šlemove, vizire, zaštitu nogu! Krajnji sistem koji se horisti za zaštitu celog tela, uključujući i glavu jeste EOD odelo.

U područjima gde je teško doći do pištolja, ili pak oblasti koje se kontrolišu, kao što su zatvori, preovladajuća pretnja je nož. Noževi i oivičena oružja imaju ograničenu brzinu i kinetičku energiju. Međutim, samo mali kontakt nožem može da obezbedi veliku prodornost, čak i u odnosu na neke konvencionalne materijale visoke čvrstoće. Shodno tome, materijali otporni na ubode su razvijeni kako bi obezbedili veću otpornost na visoke penetracije. Tipična rešenja uključuju modifikovana vlakna, zatim, lance i ploče.

Treba pomenuti i veoma prodorne pretnje koje pružaju savremeni napadi na strelištu. Jedan od poznatijih je Kalašnjikov i AK47, njihovi meci imaju različite karakteristike, ali zajednička im je visoka kinetička energija, a samim tim i veća prodornost. Shodno tome, optimalno rešenje za štit od takvih pretnji jesu polimeri kompozita za manje prodorne projektile, i kompoziti od keramike, za projektile sa većom brzinom.

          Tekstilni materijali za balističku zaštitu

Balistička zaštita je jedna od glavnih karakteristika funkcionalnih vojnih tekstilnih materijala. Balistički zaštitna odeća štiti telo tako što apsorbuje kinetičku energiju metaka i gelera. Za te svrhe se koriste višeslojne tkanine visoke čvrstoće od kojih se proizvode panciri, unutrašnji dielova aviona ili vozila.Glavni parametri koji utiču na apsorpciju energije su vrsta vlakana, struktura tkanina, jačina tkanine i masa po jedinici površine, kao i broj slojeva materijala koji se koriste u odeći.

Balistička zaštita podrazumeva zaustavljanje letećih projektila, u kratkom rastojanju, što je bolje moguće. Ovo zahteva korišćenje visokog modula tekstilnih vlakana, odnosno onih koji imaju veoma visok stepen čvrstoće i nisku elastičnost. Niska elastičnost sprečava ubode u telo i naknadne modrice i traume od strane raznih uticaja. Tkane tkanine su najčešće korišćene, mada su i netkane takođe dostupne.

Jedan od najstarijih materijala koji je korišćen jeste tkana svila, a istraživački rad koji je rađen u SAD-u razmatrao je upotrebu genetski modifikovanih svilenih paukova, koji bi pružio zaštitu. Vlakna visoke čvrstoće na bazi alifatičnog najlona 6,6 (balistički najlon), imaju visok stepen kristalnosti i nisko istezanje, i kao takvi imaju široku primenu za zaštitu tela i kao pojačanje u vidu kompozita na kacigama.

Od 1970te niz aromatičnih poliamidnih vlakana je razvijen (paraaramidi). Oni se obično zasnivaju na poli – benzamidnim parama ili poli – para fenilen tereptalamidima. Vlakna robnih marki kao što su Kevlar® (Du Pont) i Tvaron® (Enka), su dostupni u širokom spektru deciteksa i završnih obrada.

Razvijena je ponuda izuzetno visokog modula polietilena (UHMPE). Oni su obično obavijeni gelom polietilenskog vlakna (GSPE), pod drugim robnim imenom kao što je Dinema® (DSM) i Spektra® (Allied Signal). Fragligt® (DSM) je tkanina koja liči na bezbroj igala, nesumično postavljenih od GSPE vlakana. Ova GSPE vlakna imaju malu gustinu od svih balističkih valakana, oko 0.97gml^-1. Glavni nedostatak ovih vlakana je njihova relativno niska tačka topljenja, i to na oko 150°C.

Istraživanja koja su rađena na formiranju kompozitnih materijala za kacige, koje koriste polietilenska vlakna su pokazala odlične balističke performanse, i to sa redukovanom gustinom od oko 45% , u poređenju sa balističkim najlonom.

Jasno je da su ova specijalna tekstilna vlakna imaju velike prednosti zbog svoje niske gustine i visoke čvrstine u poređenju sa čeličnom žicom. Para – aramidi i polietilenska vlakna su pokazala ogromna poboljšanja u performansama koja su moguće na ovim vlaknima.

Kao materijali nove generacije, materijali XXI veka istražuju se nanotube i genetski modifikovana paukova svila. GMO Paukova  svilena vlakana  imaju veliki potencijal za izradu balističkih materijala obzirom na svoja izvanredna svojstva. Po specifičnoj jačini je jača od Kevlara.

          Tipovi tkanina i kompoziti

Većina balističkih tkanina su izrađene kao grube tkanine male do srednje gustine. Za njihovu izradu najčešće se korist multifilamentno predivo, sa sa malim brijem uvoja. Labava tkana kontrukcija obezbeđuje laganu fleksibilnu tkaninu idealnu za odeću. Međutim, sa labavom kontrukcijom postoji velika verovatnoća da potencijalni projektil sklizne između pojedinačnih vlakana. To se rešava povećanjem zapremine, tako da se balistička otpornost povećava sa sa povećanjem ukupne gustine. Ovo zahteva upotrebu više slojeva, i to obično između 5 i 20, kako bi se balistička zaštita mogla adekvatno obavljati. Svaki deo oklopa tj. svaki sloj nije fiksiran, tako da može slobodno da se kreće, samo je na krajevima i linijama u obliku kvadrata proštepan, kako bi održao određeni stepen fleksibilnosti. Ovo omogućava da nosioc može da se savije, ili okrene, kao i da normalno pokreće ruke. Neophodno je da balistički prsluk bude iznutra vodootporan, i da ne propušta svetlost, jer prisustvo vlage i UV-a mogu smanjiti balističke performanse.

          Zaštita od noževa

Opasnost od hladnog oružja ili špicastih predmenta se smatra promenljivim, zato što zavisi od stanovništva, njihovih sposobnosti i tehnika. Hladno oružje podrazumeva širok spektar noževa, alata, mačeva, i drugog pribora koji mogu imate različite nivoe oštrine i različite vrste sečiva.

Bletmen (1996) je analizirao povrede koje su prijavljene u urgentnom centru od strane običnog stanovništva, i ispitao moguć uslov koji bi potencijalni štit morao da sadrži. Došao je do zaključka da je većina smrtnog ishoda usledila nakon gubitka krvi ili nekih pratećih komplikacija, kao što su posekotine jetre, slezine, pluća ili spoljašnji delovi creva, koji mogu izazvati krvavljenje. Druge povrede mogu dovesti do rupica na plućima, pa samim tim i kolapsa istih, dok oštećenja srca ili arterija, mogu odmah biti fatalna.

Na osnovu ovoga, zaštita grudnog koša jeste najveći prioritet kako bi se sprečile fatalne rane. Takođe, zaštita treba da se proširi preko trupa ka nogama, kako bi zaštitila arterije i karlicu.

Prodorna moć noževa je proizvod energije i gustine materijala od koje je nož sastavljen, kao i od ivice koja je zaoštrena. Trenutni standardi zahtevaju

otpornost noža na udar energije u rasponu od 25J do 43J, iako je manji uticaj, od energije metka npr, nekad može biti fatalniji zbog primene na maloj razdaljini. To dovodi do veoma velike kontaktne snage, da materijal štita biva uvučen i radijalno daleko iznad noža. U suštini, problem je u suprotnostima između balističkog štita i male kinetičke energije noža. Relativno tup nož može da ima radijus od 0.25mm, a da izazove ubod od 40J, što bi bilo slično rani od metka relativno visoke brzine.

Najprostija metoda za pružanje otpora od uboda jeste korišćenje krutih ploča od metala ili kompozita. Takvi materijali su u dovoljnoj meri čvrsti da mogu da pruže otpor prilikom udubljenja, i da spreče dalji prodor. Metalni sistemi mogu da ponude dobru zaštitu ukoliko imaju dovoljan koeficijent tvrdoće. Mekši metali kao što su aluminijum, zahtevaju veću debljinu prilikom zaštite. Najbolji rezultati se postižu titanijumom i njegovim legurama, medjutim, oni mogu da budu jako skupi. Titanijum ima prednost visokog otvrdnjavanja i odlikuje ga velika stopa žilavosti, što ga čini izuzetno otpornim na punkciju i rezanje.

Bolje rešenje za zašitu od noževa jeste fleksibilan tekstilni štit, sličan onome koji se koristi za zaštitu od metaka. To je moguće ukoliko se povećaju mere za sečenje i probijanje još u tkanju. Većina vlakana imaju određenu jačinu na sečenje, a najpoznatija bi bila aramidna vlakna: Kevlar i Tvaron. Međutim, važno je  napomenuti da nož pre iseče ova vlakna, nego što im rastavi teksturu. U tom slučaju, mere koje bi se preduzele, odnosile bi se na stabilizaciju tkanja i sprečavanje odvajanja prediva. To se može delimično postići korišćenjem finijih utkanih prediva. Pređe sa manjim denima su utkane što je bolje moguće, sa srazmerno visokim pokrivnim faktorom. Ovaj pristup je posebno uspešan protiv šiljaka, i ima značajnu primenu u sklopu zatvorskih uniforma. S obzirom da šiljak nema sečivo,

moguće je sprečiti perforaciju jednostavnim opiranjem tkanine. Prednost ovih sistema je što zadržavaju punu fleksibilnost i mogu ponuditi viši nivo balističke zaštite.

Štitovi od tekstilnih laminata mogu da pružaju zaštitu i od noža i od drugih projektila, zbog svoje fleksibilnosti i jednostavne konstrukcije. Ovi sistemi su postali dominatna struktura XXI veka. Promena od krutih, polu krutih sistema, do fleksibilnih je delimično rezultat poboljšanja testa i povećanih specifikacija i zahteva.

Štitovi u obliku lanaca mogu da se koriste kao veoma fleksibilni za zaštitu od noževa. U ovom slučaju, poenta lanaca je da zadrži sečivo nakon malih perforacija. Zbog toga je potrebno da se koriste veoma fini lanci, malih prečnika. Tipično je da će se štit sastojati od slojeva lanaca, koji su pozicionirani na prednjoj strani više, u odnosu za zadnju. Samim tim, zbog ovakve kontrukcije, biće obezbeđena bolja zaštita, koja će pružiti i balističku zaštitu. Težina je malo veća u odnosu na laminate. Ali je, sa druge strane, našla veću primenu u ženskim štitovima, zbog drugačije konstitucije.

          Balistička ispitivanja i ocenjivanje

Pakovanja materijala su instrumentalno testirana na razne opsege pucanja. Neophodno je da se ispali projektil standardizovane težine i veličine, u opsegu određenih brzina. Koristeći ove simulirane projektile u serijama, dobijamo meru poznatu kao V₅₀, za svaki materijal i projektil. V₅₀ je brzina (u ms^-1), na kojoj je očekivana verovatnoća prodiranja od 0,5, odnosno 50% ide preko, a 50% ne. Ovo se može koristiti kao kontrola kvaliteta. Potrebno je da znamo da postoji i V₀, što predstavlja najvišu brzinu na kojoj se prodiranje ne javlja uopšte. Ovo je ponekad poznato i kao V_c ili kritička brzina. V_c je predviđena da bude praktična mera, jer je cilj odela (oklopa) da spreči sve projektile koji bi da prodru do tela!

Za procenu efekta koje ima zaštitni štit, koristi se model koji simulira borbenu situaciju. Početne informacije su date, uključujući i V₀ za nekoliko veličina fragmenata, protiv određenog štita, zajedno sa površinom tela koja ga pokreće. Zatim koristimo podatke o realnom oružju uperenog u nezaštićenu individuu. Ova analiza nam omogućava da predvidimo realnu efikasnost štita, i smanjenje gubitaka i žrtava.

Na osnovu svega ovoga možemo da zaključimo da je poenta pancira svedena na dva procesa: izdvajanje kinetičke energije iz projektila, i

mehanizam koji će ukinuti ovu kinetičku energiju, bez preteranog prenosa opterećenja ili deformacije po nosioca. Međutim, energija projektila je dovoljna da upadne na ili u telo nosioca, tako da se na to treba obratiti posebna pažnja. Visoke čvrstoće tkanine i odgovarajuće konstruisani sistemi pružiće efikasno rešenje. Oružje koje ima oštrice, kao što su noževi, predstavljaju izuzetno prodornu pretnju koja zahteva posebne tkanine ili metale, kako bi se generasale interakcije za štitom. Mada, ukupna energija udara je niska u dovoljnoj meri, tako da nema posebne mere zaštite od rasipanja ili indukovanih opterećenja. Tipična rešenje uključuju specijalizovane tkanine, lance ili zglobne metalne ploče. Za zaštitu od velikih brzina metka postoji isti problem, pružanje otpora pri penetraciji i rasipanje velike količine energije koja je povezana sa udarnim opterećenjem. Rešenje zahteva kombinaciju kompozitih ploča, koji često uključuju keramičke podloge balističkih slojeva tkanina, koje obezbeđuju zaštitu i daju dobru pokrivenost.