Najważniejszym zadaniem rozwiązywanym przez obiecującą broń strzelecką opracowywaną w ramach amerykańskiego programu NGSW powinno być zapewnienie gwarantowanej penetracji nowoczesnych i zaawansowanych kamizelek kuloodpornych opracowywanych w wiodących laboratoriach zbrojeniowych na świecie. Przed powrotem do problemu opracowania „miecza”, obiecującej broni strzeleckiej zdolnej do skutecznego przeciwdziałania amerykańskiej broni opracowanej w ramach programu NGSW, wskazane byłoby zapoznanie się z „tarczą” - technologiami tworzenia obiecujących osobistych kamizelek kuloodpornych (NIB).
Istnieje opinia, że problem penetracji NIB jest daleko idący, ponieważ jeśli pocisk trafi we wroga, albo zostanie on tak ranny, że nie będzie mógł dalej aktywnie angażować się w działania wojenne, albo trafienie będzie musiało być w części ciała, która nie jest chroniona elementami zbroi. Sądząc po programie NGSW, Siły Zbrojne USA nie uważają tego problemu za daleko idący. Problem polega na tym, że tempo doskonalenia obiecujących NIB jest obecnie znacznie wyższe niż tempo doskonalenia broni strzeleckiej. A Siły Zbrojne USA dopiero próbują dokonać przełomu w kierunku radykalnej poprawy cech broni strzeleckiej, pytanie brzmi, czy im się uda?
Istnieją dwa główne sposoby na zwiększenie penetracji pancerza amunicji - zwiększenie jej energii kinetycznej oraz optymalizacja kształtu i materiału amunicji / rdzenia amunicji (oczywiście nie mówimy o amunicji wybuchowej, kumulacyjnej lub zatrutej). I tutaj faktycznie napotykamy pewien limit. Pocisk lub rdzeń do niego jest wykonany ze stopów ceramicznych o dużej twardości i wystarczająco dużej gęstości (aby zwiększyć masę), można je uczynić twardszymi i mocniejszymi, mało gęstymi. Zwiększenie masy pocisku poprzez zwiększenie jego wymiarów jest również praktycznie niemożliwe w akceptowalnych wymiarach ręcznej broni strzeleckiej. Pozostaje wzrost prędkości pocisku, na przykład do hipersonicznego, ale w tym przypadku twórcy napotykają ogromne trudności w postaci braku niezbędnych materiałów miotających, niezwykle szybkiego zużycia lufy i dużego odrzutu działającego na strzelec. Tymczasem doskonalenie NIB postępuje znacznie intensywniej.
Materiały (edytuj)
Od momentu powstania osobiste kamizelki kuloodporne przeszły długą drogę od stalowych pancerzy i płyt do nowoczesnych kamizelek kuloodpornych wykonanych z tkaniny aramidowej z wkładkami wykonanymi z polietylenu o bardzo wysokiej masie cząsteczkowej o wysokiej gęstości (UHMWPE) i węglika boru.
NIB doskonali się w obszarach poszukiwania nowych materiałów, tworzenia kompozytowych i metalowo-ceramicznych elementów opancerzenia, optymalizacji kształtu i struktury elementów NIB, w tym w skali mikro i nano, które skutecznie rozproszą energię pocisków i odłamków. Opracowywane są również bardziej egzotyczne rozwiązania, takie jak „płynna zbroja” oparta na płynach nienewtonowskich.
Najbardziej oczywistym sposobem jest ulepszenie tradycyjnych konstrukcji kamizelek kuloodpornych poprzez wzmocnienie ich wkładkami wykonanymi z obiecujących materiałów kompozytowych i ceramicznych. W chwili obecnej większość NIB jest wyposażona we wkładki wykonane ze stali wzmacnianej termicznie, tytanu lub węglika krzemu, ale stopniowo zastępują je elementami pancerza z węglika boru, które mają mniejszą wagę i znacznie wyższą odporność.
Struktura
Kolejnym kierunkiem doskonalenia NIB jest poszukiwanie optymalnej struktury rozmieszczenia elementów opancerzonych, które z jednej strony powinny pokrywać maksymalną powierzchnię ciała myśliwca, a z drugiej nie krępować jego ruch. Jako przykład, choć nie do końca udany, ale ciekawy rozwój, można przytoczyć kamizelkę kuloodporną Dragon Skin, zaprojektowaną i wyprodukowaną przez amerykańską firmę Pinnacle Armor. Pancerz „Smocza skóra” ma łuskowaty układ elementów zbroi.
Tarcze klejone z węglika krzemu o średnicy 50 mm i grubości 6,4 mm zapewniają wygodę noszenia tej NIB ze względu na pewną elastyczność konstrukcji i jednocześnie odpowiednio dużą powierzchnię zabezpieczanej powierzchni. Konstrukcja ta zapewnia również odporność na powtarzające się trafienia pocisków wystrzeliwanych z broni strzeleckiej z bliskiej odległości – „Smocza skóra” może wytrzymać do 40 trafień z pistoletu maszynowego Heckler & Koch MP5, karabinu M16 lub karabinu szturmowego Kałasznikowa (jedyne pytanie to ile z czego i który wkład?).
Wadą „łuskowatego” układu elementów pancerza jest prawie całkowity brak ochrony żołnierza przed urazami poza barierą, co prowadzi do poważnych obrażeń lub śmierci żołnierzy nawet bez penetracji NIB, w wyniku czego kamizelka kuloodporna tego typu nie przeszedł testów US Army. Niemniej jednak są używane przez niektóre siły specjalne i służby specjalne Stanów Zjednoczonych.
Podobny schemat „łuskowaty” wdrożono w radzieckiej zbroi ZhZL-74 przeznaczonej do ekstremalnej ochrony przed zimną bronią, w której zastosowano elementy pancerza-tarcze o średnicy 50 mm i grubości 2 mm wykonane ze stopu aluminium ABT-101 używany.
Pomimo niedociągnięć NIB „Smocza skóra”, łuskowaty układ elementów pancerza może być używany w połączeniu z innymi rodzajami ochrony pancerza i elementami amortyzacyjnymi w celu zmniejszenia wpływu pocisków i odłamków poza barierę.
Naukowcy z American Rice University opracowali niezwykłą strukturę, która pozwala obiektowi skuteczniej pochłaniać energię kinetyczną niż obiekt monolityczny z tego samego surowca. Podstawą pracy naukowej było zbadanie właściwości splotów nanorurek węglowych, które dzięki specjalnemu ułożeniu włókien, z zagłębieniami na poziomie atomowym, charakteryzują się ultrawysoką gęstością, co pozwala na pochłanianie energii z dużą wydajnością, gdy zderzają się z innymi obiektami. Ponieważ nie jest jeszcze możliwe pełne odtworzenie takiej struktury w nanoskali na skalę przemysłową, postanowiono powtórzyć tę strukturę w makrorozmiarach. Naukowcy wykorzystali filamenty polimerowe, które można drukować na drukarce 3D, ale ułożone w ten sam system co nanorurki, i ostatecznie uzyskali kostki o wysokiej wytrzymałości i ściśliwości.
Aby przetestować skuteczność konstrukcji, naukowcy stworzyli drugi obiekt z tego samego materiału, ale monolitycznego, i w każdy z nich wystrzelono kulę. W pierwszym przypadku pocisk zatrzymał się już na drugiej warstwie, a w drugim wszedł znacznie głębiej i uszkodził całą kostkę - pozostał nienaruszony, ale pokryty pęknięciami. Pod naciskiem poddano również plastikową kostkę o specjalnej konstrukcji, aby sprawdzić jej wytrzymałość pod naciskiem. Podczas eksperymentu obiekt skurczył się co najmniej dwukrotnie, ale jego integralność nie została naruszona.
Pianka metalowa
Mówiąc o materiałach, których właściwości w dużej mierze determinuje konstrukcja, nie można nie wspomnieć o postępach w dziedzinie spienionego metalu - metalowej lub kompozytowej pianki metalowej. Pianka metalowa może być wytwarzana na bazie aluminium, stali, tytanu, innych metali lub ich stopów.
Specjaliści z University of North Carolina (USA) opracowali stalowy spieniony metal ze stalową matrycą, zamykając go między górną warstwą ceramiczną a cienką dolną warstwą aluminium. Pianka o grubości mniejszej niż 2,5 cm zatrzymuje pociski przeciwpancerne o grubości 7,62 mm, po czym na tylnej powierzchni pozostaje otwór o grubości poniżej 8 mm.
Płyta piankowa m.in. skutecznie redukuje skutki promieniowania rentgenowskiego, gamma i neutronowego, a także chroni przed ogniem i ciepłem dwukrotnie lepiej niż konwencjonalny metal.
Innym materiałem o pustej strukturze jest ultralekka pianka stworzona przez HRL Laboratories we współpracy z Boeingiem. Nowy materiał jest sto razy lżejszy od polistyrenu – to 99,99% powietrza, ale ma wyjątkowo dużą sztywność. Według twórców, jeśli jajko zostanie pokryte tym materiałem i spadnie z wysokości 25 pięter, nie pęknie. Powstała pianka jest tak lekka, że może leżeć na mniszku lekarskim.
W prototypie zastosowano połączone ze sobą puste rurki niklowe, których układ jest zbliżony do budowy ludzkich kości, co pozwala materiałowi na pochłanianie dużej ilości energii. Każda rurka ma grubość ścianki około 100 nanometrów. Zamiast niklu można w przyszłości stosować inne metale i stopy.
Ten materiał lub jego odpowiednik, jak również wspomniany powyżej strukturalny materiał polimerowy, można rozważyć do wykorzystania w obiecujących NIB-ach jako elementy lekkiego i trwałego podparcia amortyzującego, zaprojektowanego w celu zminimalizowania uszkodzenia ciała przez pociski znajdujące się poza barierą.
Nanotechnologia
Jednym z najbardziej obiecujących materiałów, który według przewidywań będzie szeroko stosowany w różnych gałęziach przemysłu XXI wieku, jest grafen, dwuwymiarowa alotropowa modyfikacja węgla utworzona przez warstwę atomów węgla o grubości jednego atomu. Hiszpańscy eksperci opracowują kamizelkę kuloodporną na bazie grafenu. Rozwój zbroi grafenowej rozpoczął się na początku 2000 roku. Wyniki badań uważane są za obiecujące, we wrześniu 2018 roku twórcy przeszli do testów praktycznych. Projekt jest finansowany przez Europejską Agencję Obrony i obecnie trwa przy udziale specjalistów z brytyjskiej firmy Cambridge Nanomaterials Technology.
Podobne prace trwają w Stanach Zjednoczonych, w szczególności na Rice University i University of New York, gdzie przeprowadzono eksperymenty bombardowania arkuszy grafenu stałymi przedmiotami. Oczekuje się, że pancerz grafenowy będzie znacznie mocniejszy niż kevlar i będzie łączony z pancerzem ceramicznym, aby uzyskać najlepsze wyniki. Największym wyzwaniem jest produkcja grafenu w ilościach przemysłowych. Biorąc jednak pod uwagę potencjał tego materiału w różnych branżach, nie ma wątpliwości, że znajdzie się rozwiązanie. Według informacji poufnych, które pojawiły się na łamach specjalistycznych mediów w grudniu 2019 roku, Huawei planuje wprowadzić na rynek smartfon P40 z baterią grafenową (z elektrodami grafenowymi) na początku 2020 roku, co może świadczyć o znaczącym postępie w przemysłowej produkcji grafenu.
Pod koniec 2007 r. izraelscy naukowcy stworzyli samoleczący się materiał oparty na nanocząsteczkach dwusiarczku wolframu (soli metalu wolframu i kwasu siarkowodoru). Nanocząstki dwusiarczku wolframu są warstwowymi formacjami podobnymi do fulerenów lub nanotubularnymi. Nanotubuleny posiadają rekordowe właściwości mechaniczne, które są zasadniczo nieosiągalne dla innych materiałów, niesamowitą elastyczność i wytrzymałość, która jest na granicy wytrzymałości kowalencyjnych wiązań chemicznych.
Możliwe, że w przyszłości kamizelki kuloodporne wypełnione tym materiałem mogą przewyższyć właściwościami wszystkie inne istniejące i obiecujące modele NIB. W chwili obecnej opracowanie NIB opartego na nanorurkach z dwusiarczku wolframu jest na etapie badań laboratoryjnych ze względu na wysoki koszt syntezy materiału wyjściowego. Niemniej jednak pewna międzynarodowa firma produkuje już nanocząsteczki dwusiarczków wolframu i molibdenu w ilości wielu kilogramów rocznie przy użyciu opatentowanej technologii.
Duża brytyjska firma zbrojeniowa Bae Systems opracowuje kamizelkę kuloodporną wypełnioną żelem. W kamizelce kuloodpornej wypełnionej żelem ma za zadanie impregnować włókno aramidowe nienewtonowską cieczą, która ma właściwość natychmiastowego twardnienia po uderzeniu. Uważa się, że „płynna zbroja” jest jednym z najbardziej obiecujących obszarów rozwoju obiecującego NIB. Takie prace są prowadzone w Rosji w związku z obiecującym zestawem sprzętu dla żołnierzy "Ratnik-3".
Można zatem stwierdzić, że planuje się tworzenie obiecujących NIBs przy użyciu najnowszych technologii stojących na czele postępu technologicznego. Jeśli mówimy o broni strzeleckiej, to tutaj nie obserwuje się takiego zamieszki technologicznej. Jaki jest tego powód, brak potrzeby czy konserwatyzm przemysłu zbrojeniowego?
Wiele projektów obiecujących NIBów z pewnością utknie w martwym punkcie, ale niektóre z nich z pewnością „strzelą” i prawdopodobnie zdezaktualizują całą dwudziestowieczną broń strzelecką, tak jak w swoim czasie przestarzałe stały się łuki, kusze i broń strzelecka ładowana przez lufę. Ponadto kamizelka kuloodporna nie jest jedynym ważnym elementem wyposażenia wojownika, który może radykalnie zwiększyć jego przeżywalność w bitwie.
