Edyta KRZYSTAŁA, Katedra Mechaniki Stosowanej, Politechnika Śląska, Gliwice
OCHRONA PRZECIWMINOWA ZAŁOGI POJAZDÓW SPECJANYCH
Streszczenie. W artykule zaprezentowano wprowadzenie do zagadnienia ochrony przeciwminowej załogi w pojazdach specjalnych. Scharakteryzowano zagrożenia wynikające z oddziaływania fali uderzeniowej wybuchu na załogę pojazdów opancerzonych, przedstawiono tendencje rozwojowe w szczególności wewnętrznych środków ochrony przeciwminowej oraz przedstawiono założenia do dalszych badań eksperymentalno - numerycznych.
1. WSTĘP
Miny lądowe oraz improwizowane urządzenia wybuchowe są obecnie najskuteczniejszą śmiercionośną bronią w niesymetrycznych konfliktach zbrojnych. Najbardziej znanym konfliktem tego typu jest wojna w Iraku i Afganistanie. Wojskowe pojazdy samochodowe, poruszające się w strefie konfliktu zbrojnego powinny spełniać odpowiednie wymagania co do ochrony balistycznej. Obecnie dokumentem, zawierającym wymagania co do ochrony balistycznej w pojazdach opancerzonych jest umowa standaryzacyjna STAN A G 4569 „Poziomy zabezpieczenia osób znajdujących się w logistycznych i lekkich pojazdach opancerzonych". Zatem zgodnie z obowiązującymi dokumentami zapewnienie odpowiedniej ochrony przeciwminowej staje się podstawowym kryterium rozwoju nowoczesnych konstrukcji pojazdów wojskowych [1-5].
Minimalizowanie skutków wybuchu min należy rozpatrywać jako zagadnienie złożone, na które składa się wiele czynników, w tym odpowiednia odzież ochronna żołnierzy, siedziska absorbujące energię, modyfikacje konstrukcji pojazdu, czy innowacyjne materiały pochłaniające energię wybuchu. Istotą rozwoju metod i środków ochrony przeciwminowej jest identyfikacja wpływu oddziaływania fali uderzeniowej na konstrukcje pojazdu a przede wszystkim jego załogę. Informacje na temat przeciążeń pochodzących od oddziaływania wybuchu min lądowych na człowieka są trudno dostępne lub niewystarczająco szczegółowe, dlatego pojawia się potrzeba prowadzenia badań eksperymentalnych oraz modelowych.
2. A N A L I Z A W P Ł Y W U FALI UDERZENIOWEJ W Y B U C H U N A K O N S T R U K C J Ę P O J A Z D Ó W SPECJALNYCH
Wybuch min lądowych oraz prowizorycznych urządzeń wybuchowych (IED) pod pojazdem powoduje powstawanie fali uderzeniowej wybuchu, która rozchodząc się we wszystkich kierunkach szybciej niż prędkość dźwięku doprowadza do zniszczenie konstrukcji pojazdu, a następnie powodując przeciążenia wewnątrz przedziału załogowego [6].
W zależności od masy ładunku i rodzaju inicjacji, połączenie fali wybuchu oraz powstałych odłamków powoduje impulsowe obciążenia dna pojazdu. Impuls ten w kilka milisekund skutkuje wysokim przyspieszeniem powodując urazy a nawet śmierć załogi [1], [2], [3].
Przedstawiony problem jest bardzo istotny oraz wymagający szybkiego rozwiązania, gdyż analizując statystyki obecnych konfliktów zbrojnych w Iraku czy Afganistanie (http://icasualties.org/) szacuje się, że w około 50% przypadkach, miny lądowe
oraz improwizowane urządzenia wybuchowe (IED) stanowiły główną przyczynę śmierci bądź poważnych urazów żołnierzy, w tym polskich, uczestniczących w obecnych konfliktach zbrojnych. Rys. 1 przedstawia lawinowo rosnącą liczbę ofiar, na skutek eksplozji min lądowych oraz IED wśród żołnierzy uczestniczących w działaniach zbrojnych Afganistanie w latach 2001 - 2 0 1 0 .
Okres trwania konfliktu zbojnego >v Afganistanie
Rys. 1. Liczba ofiar wśród żołnierzy walczacych w Afganistanie, którzy zginęli na skutek wubuchu min lądowych bądź prowizorycznych urządzeń wybuchowych w latach 2001 - 2010 (opracowano na podstawie danych dostępnych na www.icasulaieties.org 11.03.2010)
Konstrukcja pojazdów wojskowych wykorzystywanych w strefie działań zbrojnych narażona jest na oddziaływanie fali uderzeniowej powstałej w wyniku wybuchu mi lądowych oraz prowizorycznych urządzeń wybuchowych pod kołami, kadłubem lub z boku pojazdu. Zagrożenia tego typu wymusiły wprowadzenie na wyposażenie wojska pojazdów odpornych na skutki eksplozji ładunków wybuchowych. Na rys.2 a) - 2d) przedstawiono przykładowe pojazdy M R A P (Mine Resistant Ambush Protected) będące na wyposażeniu wojsk walczących we współczesnych konfliktach zbrojnych, a które uległy uszkodzeniu w wyniku działań partyzanckich (we wszystkich przypadkach załoga przeżyła).
Rys. 2. Przykłady pojazdów kategorii MRAP, które uległy zniszceniu w wyniku eksplozji ładunków wybuchowych w trakcie trwania obecnych konfiktów zbrojnych
3. ANALIZA WPŁYWU FALI UDERZENIOWEJ WYBUCHU NA ZAŁOGĘ POJAZDÓW SPECJANYCH
Wybuch miny przeciwpancernej pod kadłubem pojazdu może powodować następujące skutki: efekt lokalny, efekt globalny, „wyrzut" pojazdu, oraz efekt wtórny, czyli jego opadanie (rys. 3) [3],
D e t o n a c j a u r z ą d z e n i a w y b u c h o w e g o „ w y r z u c e n i e " p o j a z d u
Rys. 3. Schemat przedstawiający skutki wybuchu miny lądowej pod pojazdem [3, 9]
Efekt lokalny powstaje po inicjacji wybuchu pod pojazdem. Tworząca się fala uderzeniowa wybuchu uderza w dno pojazdu po około 0,5 ms. Następnie odbijając się powoduje miejscowe (lokalne) impulsowe przeciążenia. Po około 5 ms po detonacji następuje odkształcenie dna pojazdu, a uginająca się płyta powoduje w następstwie deformacje ścian bocznych konstrukcji pojazdu [3, 10, 11]. Fala uderzeniowa rozchodząca się z prędkością szybszą niż prędkość dźwięku powoduje drgania całej konstrukcji pojazdu, a następnie powodując przeciążenia wewnątrz przedziału załogowego [6], W przypadku efektu globalnego odbijająca się fala wybuchu powoduje „wyrzucenie" całego pojazdu. Efekt globalny następuje po około 10 do 20 ms po detonacji. Pojazd po osiągnięciu maksymalnej wysokości wyrzutu, która zależy między innymi od masy pojazdu oraz wielkości ładunku, następuje opadanie pojazdu po około 100 do 300 ms. Skutkiem wybuchu ładunku w pobliży pojazdu może być również wywrócenie pojazdu [3, 10, 11].
Zagrożenie załogi w pojazdach uzależnione jest od wpływu efektu lokalnego (uderzenie i odkształcenie dna pojazdu) oraz efektu globalnego (ruch pojazdu). Uproszczony schemat procesu obciążenia załogi w trakcie wybuchu przedstawiono na rysunku 4.
i k i M i ^ i fat
1 10 100 1000 ms
Rys. 4. Schemat procesu obciażenia załogi w trakcie wybuchu miny [10, 11, 13] Stopień zagrożenia pasażerów zależy od odległości pomiędzy ofiarą i miejscem detonacji, konstrukcji pojazdu, a w szczególności jego dna, oraz zamocowania i rodzaju siedziska. Podczas wybuchu najbardziej narażone na urazy są kończyny dolne. Spowodowane jest to najbliższym położeniem od miejsca detonacji [5, 12]. Eksplozja powoduje wyrzucenie ciała pasażera w górę, w zależności od siły oddziaływania siedziska, a to skutkuje urazami głowy oraz kręgosłupa prowadzącymi do kalectwa a nawet śmierci [5, 13].
4. ŚRODKI OCHRONY PRZECIWMINOWJE W POJAZDACH SPECJANYCH
Minimalizowanie skutków wybuchu min przeciwpancernych należy rozpatrywać jako zagadnienie ochrony złożonej, na którą składa się wiele czynników w tym odzież ochronna żołnierzy, siedziska absorbujące energię, modyfikacje konstrukcji pojazdu, np. dno pojazdów kołowych w kształcie litery ' V ' , innowacyjne materiały pochłaniające energię wybuchu, jak również specjalnie wzmacniane koła [5, 10, 13, 14].
Minimalizowanie skutków wybuchu min można rozpatrywać również poprzez środki ochrony zewnętrznej oraz wewnętrznej. Zadaniem środków ochrony zewnętrznej (rys. 5) jest absorbowanie i odbijanie energii wybuchu w celu zminimalizowania wymuszenia przenoszonego do wnętrzna przedziału załogowego. Przykładem środków ochrony zewnętrznej w przypadku pojazdów kołowych są przede wszystkim deflektory V - denne.
ŚRODKI OCHRONY Z E W N Ę T R Z N E J
KONSTRUKCJA POJAZDU KOŁA MATERIAŁY PRZECIWWYBUCHOWE]
S
Rys. 5. Przykłady środków ochrony zewnętrznej [10]
Wśród najistotniejszych środków ochrony wewnętrznej (rys. 6) należy wymienić specjalne systemy siedzisk absorbujących energię oraz podkładki energochłonne pod kończyny dolne [13,14].
ŚRODKI OCHRONY WEWNĘTRZNEJ
O D Z I E Ż O C H R O N N A S I E D Z E N I A A B S O R B U J Ą C E E N E R G I Ę ; D O D A T K O W E W Y P O S A Ż E N I E
i «¡¡i JÊÊÊÊ i " ?
I J^s§L $ Ł «
— i
\W
LJfeSïL.
0PANCÊ820NÊ SYSTEM SYSTEM OKNA NAWIGACJI KOMUNIKACJI
SPS
I RADIOWEJ
Rys. 6. Przykłady środków ochrony wewnętrznej [10]
Siedziska pochłaniające energię występują w różnej konfiguracji, tzn. mogą być zamocowane do podłogi, burty lub dachu pojazdu. Zarówno sposób, jak i miejsce zamocowania siedziska stanowią istotny czynnik wpływający na efektywność ochrony załogi. Na rysunkach 7 a) - 1 d) pokazano przykładowe rodzaje siedzisk firmy Allen Vanguard [9].
a)
d)
Rys. 7. Przykłady wybranych siedzisk absorbujących energię z uwzględnieniem ich sposobu zamocowania: a) siedzenie kierowcy przymocowane do podłogi, b) siedzenie załogi przymocowane do burty, c) siedzenie załogi przymocowane do dachu pojazdu, d) siedzenie
293 dowódcy przymocowane do dachu [9].
Zadaniem siedzisk pochłaniających energię wybuchu jest nie tylko przejęcie i absorbowanie wymuszeń, ale również wytłumienie skutków gwałtownego uderzenia opadającego pojazdu po wyrzucenia go w wyniku eksplozji [1, 2, 3, 9].
5. B A D A N I A E K S P E R Y M E N T A L N O - N U M E R Y C Z N E
Zjawisko oddziaływania fali uderzeniowej na pojazdy opancerzone jako problem badawczy jest złożone. W celu rozwoju nowoczesnych, skutecznych środków ochrony przeciwminowej pojazdów specjalnych, wymagane jest w pierwszej kolejności poznanie skutków oddziaływania fali uderzeniowej wybuchu nie tylko na dno pojazdu ale przede wszystkim na jego załogę. Badania identyfikujące przeciążenia działające na pasażerów pojazdów wojskowych prowadzone są zgodnie z dokumentem RSA-MIL-STD-37. Dokument ten zawiera metodologię przeprowadzania badań, wykaz niezbędnej aparatury, jak również sposób weryfikacji zagrożenia załogi spowodowanej wybuchem min. Dane dotyczące przeciążeń wynikających z oddziaływania wybuchu min lądowych na człowieka są trudno dostępne lub niewystarczająco szczegółowe, dlatego pojawia się potrzeba prowadzenia badań eksperymentalnych oraz modelowych. Ze względu na zagrożenie życia nie ma możliwości przeprowadzania eksperymentów przy udziale ludzi, zatem metodologia tych badań odwołuje się do symulacji zjawisk dynamicznych w przemyśle samochodowym lub lotnictwie z zastosowaniem specjalistycznych manekinów. Identyfikacja zachowania się załogi pojazdów specjalnych pod wpływem wybuchu miny przeciwpancernej jest konieczna w celu poszukiwania najlepszego rozwiązania konstrukcyjnego, a wyniki badań modelowych oraz symulacji numerycznych posłużą do walidacji przyjętej koncepcji
W ramach pracy planuje się opracowanie modelu biodynamicznego człowieka umożliwiającego ilościowe zidentyfikowanie przeciążeń działających na załogę w miejscach najbardziej narażonych na urazy w charakterystycznych antropometrycznych punktach ciała. Model dynamiczny człowieka zastosowany będzie w celu zasymulowania zachowania się załogi na skutek oddziaływań impulsowych wywołanych wybuchem miny lądowej pod centralną częścią kadłuba. Właściwa ocena skutków tego typu eksplozji jest znacząca do projektowania nowych środków ochrony załogi.
6. P O D S U M O W A N I E
Pojazdy wojskowe i ich wyposażenie powinno być zaprojektowane z uwzględnieniem zasad ergonomii, które są znaczące dla bezpieczeństwa załogi. Po pierwsze, należy zapewnić nienaruszalność konstrukcji pojazdu oraz przedziału załogi, a po drugie określić stopień zagrożenia i zapewnić przeżycie członków załogi.
Efektem badań i rozwoju ochrony przeciwminowej załogi pojazdów specjalnych jest przede wszystkim identyfikacja przeciążeń działających na załogę w charakterystycznych antropometrycznych punktach ciała, ustalenie krytycznych wymuszeń a następnie opracowanie sposobu minimalizowania skutków tych wymuszeń.
Badania modelowe, symulacje numeryczne oraz weryfikacja wyników na podstawie badań doświadczalnych umożliwią lepsze poznanie interakcji wybuch miny - pojazd - załoga oraz ocenę urazów pasażerów w wyniku oddziaływania fali uderzeniowej na strukturę pojazdu. Badania te przyczynią się do poprawy bezpieczeństwa załogi pojazdów wojskowych.
LITERATURA
[1] Reineckea JD, Snymana IM, Ahmeda R, Beetgeb FJ: Vehicle landmine protection validation testing, A CSIR Defence, Peace, Safety and Security, PO Box 395, Pretoria, 0001,
[2] Reinecke JD, Snymam IM, Ahmed R, Beetge FJ: A safe and secure South Africa Vehicle landmine protection validation testing,
[3] RTO Technical Report TR - HJN - 090 TECHNICAL REPORT TR-HFM-090 Test Methodology for Protection of Vehicle Occupants against Anti-Vehicular Landmine Effects,
[4] Szudrowicz M.: Skuteczność opancerzenia pojazdów, Wojskowy Instytut Techniczny str. 52-56,
[5] Fallet R.: Mine explosion and blast effect on vehicle analysis of the potential damages o passengers 2nd European HyperWorks Technology Conference, Strasbourg September 3 0 t h - O c t o b e r 1st, 2008,
[6] Mikulic D., Stojakovic V., Gasparic T.: Modelling of all protected vehicles. 4th DAAAM International Conference on Advanced Technologies for Developing Countries, September 21 - 24, 2005, Slavonski Brod, Croatia
[7] www.icasualities.org 11.03.201 Or.,
[8] http://www.defensetech.org/images/MRAP-blast.jpg 02.04.2010r.,
[9] Blast attenuation seat system The next step in a crew survivability programs, Technical Brochure Allen Vanguard, 30.09.2009,
[10] Kania E.: Developmenta tendency of landmine protection devices, Modelling and Optimization of Physical Systems 8, pp. 67-72, Gliwice 2009
[11] Kania E.: "Analysis of the influence of the shock wave of the blast on the occupant of military vehicles", 12th International Scientific Conference Applied Mechanics 2010 str. 71 - 74, Jablonec nad Nisou 2010, 19th - 21 th April 2010;
[12] Injuries from Antitank Mines in Southern Croatiahttp://fmdarticles.com/p/articles/mi_qa3912/is_200404/ai_n9394518/
[13]Gildenhuys C.,: The Future of Light and Medium Armour in the Land Operational Environment for the South African Army, Conference Materials at 8th Annual Light and Medium Armoured Vehicles 2-6 February 2009 London,
[14]Honlinger M., Glauch U., Steger G.: Modelling and Simulation in the Design Process of Armored Vehicles, Paper presented at the RTO AVT Symposium on "Reduction ofMilitary Vehicle Acquisition Time and Cost through Advanced Modelling and VirtualSimulation", held in Paris, France, 22-25 April 2002, and published in RTO-MP-089,
PROTECTION OF THE OCCUPANTS IN THE MILITARY
VEHICLES
Summary In the article an introduction to the issue of the protection of the occupants in the military vehicle is presented. Threat of the occupants which is caused by the shock wave of mine blast, developmental tendency, especially of the internal mine protection devices and assumption to the next experimental -numerical researches are presented as well.
