АО «НИИКерамзит» г. Самара, ООО «Винзилинский завод керамзитового гравия» (ВЗКГ) г. Тюмень
Тема: Защита объектов от беспилотных летательных аппаратов материалами производства ВЗКГ
Уважаемые партнёры!
В условиях роста угроз со стороны беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) различного класса предлагаем Вам рассмотреть применение материалов производства ООО «ВЗКГ» — Винзилинского завода керамзитового гравия, крупнейшего производителя строительных материалов в УрФО и Западной Сибири [1], — для строительства и усиления защитных сооружений, укрытий технологического оборудования и критически важных объектов инфраструктуры.
Проблема: характер угроз
Современные БПЛА несут боевые части (БЧ) различных типов, каждый из которых требует своего подхода к защите:
- Фугасные и осколочно-фугасные БЧ — ударная волна, осколочное поражение, пробитие ограждающих конструкций.
- Кумулятивные и тандемные кумулятивные БЧ (типа ПГ-7В) — направленная кумулятивная струя, пробивающая до 600 мм однородной брони и бетона [6].
- Термитные и зажигательные БЧ — локальный нагрев до 2500 °С, прожигание конструкций и технологического оборудования [7].
Традиционные решения (тяжёлый бетон, стальные листы) либо чрезмерно дороги и требуют тяжёлой техники для монтажа, либо неэффективны против кумулятивных и термитных средств поражения. (Принципы работы многослойных, насыпных и неоднородных преград против кумулятивных струй. Источник: Орленко Л.П. «Физика взрыва», М.: Физматлит, 2004. Разделы о кумулятивном эффекте и дестабилизации кумулятивной струи при прохождении через неоднородные среды.)
Мы предлагаем комплекс из трёх взаимодополняющих решений на основе керамзита и керамзитобетона.
Решение № 1. Керамзитоблок (КББ) — быстровозводимая защитная кладка
Керамзитобетонный блок производства ВЗКГ обладает уникальным сочетанием защитных и эксплуатационных свойств:
Монтаж без спецтехники. Масса стандартного керамзитоблока составляет 15–25 кг [3], что позволяет возводить защитные стенки, обваловку и укрытия силами расчёта из 2–3 человек без применения кранов и погрузчиков. Это критически важно для оперативного усиления объектов в полевых условиях и на действующих производствах.
Огнестойкость класса НГ. Керамзитобетон изготавливается из минерального сырья (керамзит + цемент) и относится к негорючим материалам (класс НГ по ГОСТ 30244) [4]. Предел огнестойкости конструкций из керамзитобетона достигает REI 150 [5], что означает сохранение несущей способности, целостности и теплоизолирующей способности в течение 150 минут огневого воздействия.
Низкая теплопроводность — 0,2–0,4 Вт/(м·°С) [3], что в 2–3 раза ниже тяжёлого бетона. Керамзитоблок не только держит механический удар, но и задерживает передачу теплового импульса к защищаемому оборудованию.
Демпфирующие свойства. Пористая структура керамзитовых гранул поглощает энергию ударной волны и осколков, снижая запреградное воздействие на защищаемый объект [3].
Решение № 2. Керамзит насыпью в МКР (биг-бэгах) — демпферные ячейки и обваловка
Для защиты крупногабаритных объектов, резервуаров, ангаров и технологических узлов предлагаем насыпную защиту на основе керамзитового гравия, помещённого в мягкие контейнеры разовые (МКР, биг-бэги) [8].
Демпферная ячейка из биг-бэгов с керамзитом — основной поглотитель энергии. При проникании боевой части (БЧ) в слой керамзита происходит сухая объёмная деформация среды. Энергия боеприпаса расходуется на:
- межчастичное трение гранул;
- измельчение зёрен пористого керамзита;
- разрыв капроновой ткани мешков биг-бэг, локализующих зону выброса.
В результате кинетическая энергия БЧ гасится в объёме насыпного слоя, не доходя до защищаемой конструкции. Такая схема согласуется с принципом работы противокумулятивных насыпных экранов, применяемых в инженерной защите [6].
Обкладывание биг-бэгами с керамзитом позволяет в течение нескольких часов создать защитный периметр вокруг любого объекта без подготовки фундамента и применения техники.
Решение № 3. Трёхслойная комбинированная защита: ФБС из керамзитобетона + керамзит в мешках 40 л + ФБС из керамзитобетона
Для объектов, требующих максимальной живучести против комбинированных и тандемных средств поражения, предлагаем трёхслойную защитную конструкцию, объединяющую достоинства решений № 1 и № 2:
Слой 1 — наружный ФБС из керамзитобетона. Фундаментный блок сплошной из керамзитобетона [9] работает как внешний твёрдый барьер: инициирует подрыв и разрушение головной части БЧ на безопасном расстоянии от защищаемого объекта, обеспечивает огнестойкость класса НГ и теплоизоляцию внешнего контура. За счёт сниженной массы керамзитобетонного ФБС (легче тяжёлого бетона на 30–40 %) монтаж блоков требует меньшей грузоподъёмности техники и упрощается.
Слой 2 — керамзит в мешках по 40 л. Между рядами ФБС размещается насыпной демпферный слой из керамзита в мешках объёмом 40 л. При проникании БЧ в этот слой происходит сухая объёмная деформация среды: энергия расходуется на межчастичное трение, измельчение зёрен пористого керамзита и разрыв мешковины, локализующей зону выброса. Мешки малого объёма 40 л удобны для ручной укладки и оперативного донасыщения в полевых условиях.
Слой 3 — внутренний ФБС из керамзитобетона. Тыльный ряд ФБС выполняет роль финишного барьера: долавливает остаточную кумулятивную струю, осколки и вторичные фрагменты, обеспечивает огнестойкость и теплоизоляцию со стороны защищаемого объекта.
Совокупность эффектов. Данная конструкция одновременно реализует:
- Дестабилизацию кумулятивной струи за счёт наружного ФБС и циклической смены сред в демпферном слое (воздух → пористое зерно → ткань мешка).
- Поглощение кинетической энергии фугасного и осколочного воздействия в насыпном керамзитовом слое.
- Огнестойкость и термозащиту обоих твёрдых контуров из керамзитобетона, предотвращающих прожигание термитной БЧ и передачу тепла внутрь.
- Локализацию поражения: разрушение происходит только в зоне попадания, конструкция сохраняет работоспособность соседних сегментов и поддаётся быстрой модульной замене повреждённого участка.
Специализированные типы защиты от БЧ
Термитная боевая часть (температура горения до 2500 °С)
Керамзитобетонный блок и ФБС изготавливаются из минерального сырья и относятся к негорючим материалам (класс НГ, предел огнестойкости REI 150) [4][5]. Термитная смесь химически не способна прожечь керамзитобетон насквозь, поскольку в его составе отсутствуют горючие компоненты и окислители, необходимые для поддержания термитной реакции.
Жаростойкий керамзитобетон для защитных ограждающих конструкций
Обычные бетоны на основе портландцемента и гранитного заполнителя обладают низкой термической стойкостью. Разрушение такого бетона при высокой температуре происходит по следующим причинам [11]:
1) Гранитный заполнитель состоит из разнородных минералов: кварц, полевой шпат и слюда, которые имеют разный коэффициент температурного линейного расширения. При нагревании эти компоненты расширяются по-разному, что приводит к разрушению гранитного заполнителя.
2) Нарушается связь между частицами заполнителя и цементным камнем вследствие того, что затвердевший цемент при обезвоживании дает усадку, а заполнитель расширяется.
3) При температуре 540...590 °С происходит дегидратация (обезвоживание) компонента цементного камня Са(ОН)2, который придает связность цементному камню и обеспечивает устойчивость гидросиликатов кальция (продуктов твердения цемента).
Поэтому, для изготовления жаростойких бетонов необходимо применять заполнитель прошедший высокотемпературный обжиг, например керамзит.
Самые главная функция защитной стены из керамзитобетона состоит в том, что она воспримет на себя основное температурное воздействие и защитит от перегрева защищаемый объект. Даже если температурное воздействие от БПЛА будет значительно превышать предельную температурную стойкость керамзитобетона, он растрескается и рассыпится, он не разлетится на куски и не повредит защищаемый объект, в отличие от бетона на гранитном щебне, который может разорвать вследствие очень высокого коэффициента температурного линейного расширения гранита. Кроме того, керамзитобетон воспримет на себя всю тепловую энергию и поглотит тепло, защитит от перегрева объект. В статье [13] приведены результаты испытаний взрывных камер с внутренним противоосколочным слоем из алюминия и керамзитобетона, которые показали, что в камере с противоосколочном слое из керамзитобетона достигаются минимальные динамические деформации корпуса, возбужденные колебания имеют более низкую частоту и более быстро затухают, а температура снаружи корпуса составляет всего 55 ⁰С, по сравнению с противоосколочным слоем из алюминия, температура которого составила 220 ⁰С.
Слой керамзитового гравия с температурой плавления свыше 1100 °С [3] надёжно локализует тепловой очаг в пределах демпферной ячейки. Насыпная структура исключает конвективную теплопередачу через воздушный коридор к технологическому оборудованию: тепло поглощается массой керамзита и рассеивается в объёме ячейки.
Тандемный кумулятивный выстрел (типа ПГ-7В)
Против тандемных кумулятивных средств поражения керамзитобетон и насыпная ячейка работают в три стадии:
- Наружная стенка из КББ или ФБС инициирует срабатывание взрывателя кумулятивного заряда на безопасном расстоянии от защищаемого объекта.
- Проходя сквозь объёмную демпфирующую ячейку, кумулятивная струя испытывает циклическую смену сред: воздух → пористое зерно керамзита → полимерная ткань мешка.
- Из-за постоянного изменения гидродинамического сопротивления происходит быстрое «размытие» кумулятивной струи, потеря фокуса и дестабилизация кумулятивного песта [6]. В результате струя теряет пробивную способность ещё на подходе к внутренней защищаемой конструкции.
Этот принцип согласуется с известными данными о том, что многослойные и неоднородные преграды существенно снижают эффективность кумулятивной струи за счёт нарушения её непрерывности и фокусировки [6].
Опыт ВЗКГ
Наши производственные мощности позволяют выпускать любые изделия, в том числе нестандартные, с характеристиками, определёнными техническим заданием заказчика.
Знаковым подтверждением компетенций ВЗКГ является участие в проекте «Арктик СПГ-2» [10], где нами был разработан керамзитовый гравий неправильной формы (керамзитовый щебень), позволивший увеличить прочность керамзитобетона до марки М700. Общий объём поставок составил 2 180 вагонов. Этот опыт доказал нашу способность обеспечивать гарантированные объёмы и специальные рецептуры под задачи любой сложности.
ООО «Винзилинский завод керамзитового гравия» (ООО «ВЗКГ») предлагает блоки ФБС любых размеров, изготовленные из керамзитобетона с требуемыми для Вас параметрами (марок по прочности от М100 до М300), применяемые для возведения защитных стеновых конструкций. Также для изготовления защитных керамзитобетонных конструкций непосредственно на объекте предлагаем применять щебневый керамзит нашего производства. Специалисты ООО «ВЗКГ» готовы оказать всю необходимую техническую поддержку по подбору требуемой для Вас продукции и составов керамзитобетона.
Литература
- Официальный сайт ООО «ВЗКГ» — информация о производственных мощностях и статусе крупнейшего производителя керамзита в УрФО и Западной Сибири. URL: https://vzkg.ru
- Проблема угроз от БПЛА. Данные о росте применения беспилотных летательных аппаратов и характере поражающих факторов. Источник: Федеральная служба по военно-техническому сотрудничеству, открытые доклады по противодействию БПЛА. URL: https://www.fsvps.gov.ru
- ГОСТ 9757-90 «Гравий, щебень и песок искусственные пористые. Технические условия». Нормативные значения теплопроводности, насыпной плотности, температуры плавления керамзита (>1100 °С), морозостойкости. Доступ: электронная база нормативных документов. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200013420
- ГОСТ 30244-94 «Материалы строительные. Методы испытаний на горючесть». Классификация материалов по горючести; керамзитобетон относится к классу НГ (негорючие). Доступ: электронная база нормативных документов. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200010363
- СП 2.13130.2020 «Системы противопожарной защиты. Обеспечение огнестойкости объектов защиты». Пределы огнестойкости конструкций из керамзитобетона (до REI 150). Доступ: электронная база нормативных документов. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200159011
- Противокумулятивная защита. Принципы работы многослойных, насыпных и неоднородных преград против кумулятивных струй. Источник: Орленко Л.П. «Физика взрыва», М.: Физматлит, 2004. Разделы о кумулятивном эффекте и дестабилизации кумулятивной струи при прохождении через неоднородные среды. Также: материалы НИИ Стали по защите от кумулятивных средств поражения. URL: https://nii-stali.ru
- Термитные зажигательные составы. Температура горения термита до 2500 °С, механизмы поражения. Источник: Хмель С.Г. «Зажигательные боеприпасы и защита от них», Военное издательство МО РФ. Открытые данные о термитных составах и их взаимодействии с минеральными преградами.
- ГОСТ 32521-2013 «Мешки-контейнеры мягкие разовые. Технические условия» (МКР, биг-бэги). Технические требования к прочности ткани, грузоподъёмности и применению для сыпучих материалов. Доступ: электронная база нормативных документов. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200106424
- ГОСТ 13579-2018 «Блоки бетонные для стен подвалов. Технические условия» (ФБС). Требования к фундаментным блокам сплошным, материалы, прочность, применение. Доступ: электронная база нормативных документов. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200155210
- Проект «Арктик СПГ-2» — флагманский проект ПАО «НОВАТЭК» по производству сжиженного природного газа на Гыданском полуострове. Информация о поставках строительных материалов для инфраструктуры проекта. Источник: официальный сайт ПАО «НОВАТЭК». URL: https://www.novatek.ru/projects/arctic-spg-2/
11. Дворкин Л.И., Дворкин О.Л. Специальные бетоны. – М.: Инфра-Инженерия, 2012. – 368 с.
12. Гаджиев А.М., Хаджишалапов Г.Н., Хежев Т.А. Жаростойкий керамзитобетон на основе портландцемента с обожженным аргиллитом из смесей с предварительным форсированным электроразогревом // Инженерный вестник Дона. 2023. № 6 (102). С. 526-540.
- Иванов А.Г., Сырунин М.А., Федоренко А.Г .Контейнер для локализации взрыва компактного заряда взрывчатого вещества с инертной оболочкой // Прикладная механика и техническая физика. 2001. Т. 42. № 1 (245). С. 196-208
