ROMÂNIAMINISTERUL APĂRĂRII NAŢIONALE
CENTRUL DE CERCETARE ŞTIINŢIFICĂ PENTRU APĂRARE CBRN ŞI ECOLOGIE
RAPORTUL ŞTIINŢIFIC ŞI TE
Proiect: „Echipament ergonomic de protecţie balpersonalul feminin din structurile sistemului apărare” (FEMBALPROT) Contract: PCCA-2 nr. 303/2014Etapa I: Studiul factorilor ce influenţează particularităechipamentelor de protecţie balistică pentru personalu
Bucureşti - 2014 -
p.Şeful CentrulŞtiinţifică pentr EcologieCol.dr.ing.
Gabriel
APROBui de Cercetare u Apărare CBRN şi
EPURE
HNIC
istică pentru naţional de
ţile l feminin
Raport ştiinţific şi tehnic – FEMBALPROT, etapa I-2014 2
Cuprins
1. Rezumatul etapei 3
2. Descrierea ştiinţifică şi tehnică a rezultatelor 4
2.1. Identificarea cerinţelor şi a materialelor de protecţie balistică 4
2.1.1. Ameninţări 4
2.1.2. Materiale compozite utilizate la realizarea echipamentelor de
protecţie balistică individuale 6
2.2. Tehnologii de fabricaţie pentru echipamentele de protecţie balistică
individuală 10
2.2.1. Echipamentele de protecţie balistică şi confortul 10
2.3. Studiu antropometric preliminar privind măsurile
personalului feminin din sistemul naţional de apărare 16
2.3.1. Generalităţi 16
2.3.2. Aspecte teoretice privind proiectarea constructiva a
echipamentelor de protecţie individuală 16
2.3.3. Măsurători preliminare 18
3. Rezultate obţinute 20
Raport ştiinţific şi tehnic – FEMBALPROT, etapa I-2014 3
1. Rezumatul etapei
În cadrul primei etape a proiectului „Echipament ergonomic de protecţie
balistică pentru personalul feminin din structurile sistemului naţional de
apărare” (FEMBALPROT), cu titlul „Studiul factorilor ce influenţează
particularităţile echipamentelor de protecţie balistică pentru personalul
feminin”, au fost planificate şi realizate studii şi cercetări privind identificarea
ameninţărilor la care trebuie să facă faţă echipamentele individuale de
protecţie balistică, precum şi o trecere în revistă a materialelor ce pot fi
utilizate pentru a contracara aceste ameninţări. De asemenea, partenerul
industrial a căutat cele mai bune tehnologii ce pot fi utilizate pentru realizarea
obiectivelor proiectului. Tot în această etapă a fost iniţiat, urmând a fi finalizat
în anul 2015, un amplu studiu antropometric asupra personalului feminin din
sistemul naţional de apărare, bazat pe măsurători computerizate, utilizând un
scanner 3D de înaltă rezoluţie.
Activitatea de cercetare a fost distribuită membrilor consorţiului,
fiecăruia după specificul şi experienţa anterioară în derularea activităţilor de
cercetare.
Au fost identificate 5 activităţi principale, din care două au fost
distribuite coordonatorului proiectului (Centrul de Cercetare Ştiinţifică pentru
Apărare CBRN şi Ecologie), două au fost distribuite partenerului 1 (SC
STIMPEX SA), iar una a fost distribuită partenerului 2 (Institutul Naţional de
Cercetare-Dezvoltare pentru textile şi Pielărie).
Aceste activităţi şi concretizarea lor sunt prezentate sintetic în tabelul de
mai jos.
Nr.crt.
Codificareactivitate
Denumire activitate Concretizare
1 1.CO.1
Studiu privind cerinţele specifice. Identificarea materialelor de pro-tecţie balistică ce pot fi utilizate la realizarea produsului
a. ”Studiu privind cerinţele şi identificarea materialelor deprotecţie balistică”, înregistrat la CO cu nr. A3330/26.11.2014, realizat de CO,CCSACBRNE;b. ”Studiu privind tehnologiilede fabricaţie pentru echipa-mentele de protecţie balistică individuală”, înregistrat la CO cu nr. A3331/26.11.2014,realizat de P1, SC STIMPEXSA;c. ”Studiu antropometric preli-minar privind măsurile personalului feminin dinsistemul naţional de apărare”, înregistrat la CO cu nr.A3329/26.11.2014 realizat deP2, INCDTP.
2 1.CO.2Teste preliminare pe materiale deprotecţie balistică
3 1.P1.3
Studiu privind identificarea teh-nologiilor de fabricaţie pentru echipamentele de protecţie balis-tică pentru personalul feminin
4 1.P1.4Probe tehnologice preliminarepentru realizarea liniei defabricaţie modelului experimental
5 1.P2.5
Studiu antropometric preliminarprivind masurile personaluluifeminin din sistemul naţional de apărare
Rezultatele obţinute în cadrul acestei etape vor fi diseminate în cadrul
site-ului web al proiectului.
Raport ştiinţific şi tehnic – FEMBALPROT, etapa I-2014 4
2. Descrierea ştiinţifică şi tehnică a rezultatelor
2.1. Identificarea cerinţelor şi a materialelor de protecţie balistică
2.1.1. Ameninţări
Pentru definirea cerinţelor şi proiectarea echipamentelor de protecţie
individuale sau colective este esenţial să cunoască ameninţările care trebuie
eliminate sau măcar atenuate. Prin ameninţare se înţelege orice factor
distructiv de natură fizică, chimică sau biologică care poate pune în pericol
viaţa ori integritatea fizică a uneia sau mai multor persoane. Cuvântul
ameninţare reprezintă cea mai convenabilă traducere a englezescului threat
care este unanim folosit în literatura de specialitate.
Dintre ameninţările care pot fi întâlnite pe câmpul de luptă sau în alte
misiuni cele care pot fi atenuate de echipamentele de protecţie individuală
balistică sunt următoarele:
- schije;
- gloanţe;
- suprapresiuni şi acceleraţii generate de undele de şoc;
- arme albe;
- foc;
- radiaţii laser.
Schijele. Statistica efectuată de serviciul medical al armatei SUA cuprinzând
informaţii despre conflictele militare începând cu al II-lea război mondial arată că 75-
80% din pierderile de pe câmpul de luptă sunt cauzate de schije.
Muniţiile utilizate pentru a genera schije sunt de o diversitate tipo-
dimensională impresionantă. Amintim aici: proiectile, bombe de aruncător şi de
aviaţie, muniţiile cargou care transportă sub-muniţii generatoare de schije şi minele.
O altă sursă importantă de schije o reprezintă clădirile, tehnica de luptă şi orice
alt obiect asupra căruia acţionează factorii distructivi ai exploziilor.
Răspunzând necesităţii stringente de a putea avea o metodă de apreciere
a rezistenţei balistice la schije a materialelor şi echipamentelor de protecţie şi
pentru a le putea compara între ele, specialiştii în domeniu au adoptat
standardul STANAG-2920.
Acest standard stabileşte forma, dimensiunile şi caracteristicile mecanice
ale materialelor din care se produc schijele care simulează parţial schijele
reale şi stabileşte clar modul de efectuare a testelor.
Prin aplicarea metodei se determină viteza la care 50% din proiectile sunt
reţinute de probă (V50). Această metodă poate fi aplicată şi pentru gloanţe.
STANAG-2920 a fost preluat în mare parte şi de standardul românesc SMT
402021-2000.
Aplicând metoda STANAG-2920 se poate constata dacă o structură de
protecţie se înscrie sau nu în prescripţiile pentru V50 şi se pot compara două
Raport ştiinţific şi tehnic – FEMBALPROT, etapa I-2014 5
probe testate cu acelaşi proiectil. Astfel, o structură de protecţie care are V50
de 700 ms oferă o protecţie balistică mai bună decât una cu V50 de 600 ms.
Gloanţele. Gloanţele au rămas în continuare o ameninţare majoră
pentru viaţa şi integritatea fizică a luptătorilor. Dacă în războiul clasic schijele
sunt cele mai periculoase, în alte tipuri de conflicte, inclusiv pe timp de pace,
gloanţele rămân principala cauză a pierderilor umane.
Este bine cunoscut faptul că gloanţele diferă mult între ele prin calibru,
masă, viteză iniţială, cămaşă, miez, vârf etc. Fabricarea unui echipament de
protecţie individuală care să asigure siguranţă totală pentru toate aceste
gloanţe este o imposibilitate practică, având în vedere şi constrângerea drastică
impusă de limitarea masei totale a echipamentelor pe care le poate căra un
luptător.
Pe baza experienţei acumulate în mai multe state, inclusiv în România
au fost adoptate standarde privind clasele de protecţie la gloanţe şi metode de
stabilire a încadrări unui blindaj într-o clasă. În tabelele următoare sunt
prezentate parţial standardele cele mai importante.
Pentru a se încadra în una din clasele standardizate, o structură de
protecţie balistică trebuie să îndeplinească două condiţii: să nu fie perforată de
gloanţele prescrise pentru clasa respectivă şi adâncimea amprentei în plastilina
suport să nu depăşească limita admisă. Importanţa celei de-a doua condiţii
rezultă din faptul că adâncimea amprentei aproximează efectele traumatice ale
glonţului care nu perforează vesta. Aceste efecte pot merge de la simple vânătăi
şi contuzii uşoare când amprenta este în limitele acceptate ori până la fracturi
de coaste sau vătămări ale organelor interne când această condiţie nu este
îndeplinită.
Din acest punct de vedere NIJ STANDARD USA 0101.062008 este cel
mai complet, pentru că are prevederi clare referitoare la pregătirea şi testarea
plastilinei suport. Standardele europene utilizează de obicei o plastilină mai
dură şi impun o limită mai redusă pentru amprenta traumatică. Standardul
românesc corespunde în mare măsură cu cel american.
Suprapresiunile şi acceleraţiile generate de undele de şoc. Detonarea
unei încărcături de exploziv are ca urmare producerea unei unde de şoc care se
propagă în mediul înconjurător şi poate produce distrugeri. Propagarea undei
de şoc în aer creează suprapresiuni locale de scurtă durată.
Efectele acestor suprapresiuni asupra oamenilor se resimt în principal la
nivelul urechilor şi al plămânilor. În cazul producerii unor explozii de mare
amploare pot fi afectaţi ochii şi organele interne.
Armele albe. Ameninţarea cauzată de atacurile cu obiecte tăietoare sau
cu vârf ascuţit devine din ce în ce mai importantă pentru persoanele care
acţionează în formaţiunile de pază sau de păstrare şi restabilire a ordinii
Raport ştiinţific şi tehnic – FEMBALPROT, etapa I-2014 6
publice. Restricţiile legale privind posesia armelor de foc în Europa au dus la o
mai mare răspândire a utilizării armelor albe.
Poliţişti sunt în prezent ameninţaţi de o mulţime de tipuri de arme albe
care diferă mult prin formă şi periculozitate. Trebuie remarcat faptul că
membrii organizaţiilor teroriste utilizează arme albe din materiale nemetalice,
greu de depistat la trecerea prin filtre de control anti-tero.
Particularităţile atacurilor cu un obiect ascuţit depind mult de tipul de
armă şi de modul de folosire a acestuia (tăiere, înjunghiere etc.).
Focul. Focul a însoţit războiul de la începuturile sale. Arderea cetăţilor,
locuinţelor, recoltelor şi a inamicilor sunt considerate fapte eficiente şi demne
de laudă in cronicile antichităţii. Focul grecesc, utilizabil şi în bătălii navale a
fost o armă temută a evului mediu. Bombele incendiare lansate la Dresda în al
II-lea război mondial au generat o furtună de foc care a provocat un număr de
morţi comparabil cu cel de la Hiroşima.
În prezent focul rămâne o ameninţare major atât la război cât şi pe timp
de pace. În atacul terorist de la WTC din 11 septembrie 2001 impactul mecanic
al avioanelor cu clădirile şi explozia carburantului au provocat pagube majore,
dar incendiul care a urmat a provocat colapsul structurii de rezistenţă,
desăvârşind distrugerea.
Posibilitatea ca purtătorul unui echipament de protecţie balistică să fie
confruntat cu focul este destul de mare, iar proiectanţii şi fabricanţii ţin cont
de acest fapt. Materialele din care sunt confecţionate echipamentele sunt, în
cea mai mare parte, ignifuge sau ignifugate, asigurând purtătorul că în urma
unui contact de scurtă durată cu o flacără nu se va transforma într-o torţă
umană.
Radiaţiile LASER. Utilizarea radiaţiilor LASER pentru echiparea
telemetrelor de artilerie şi a aparaturii de ochire a armamentului individual
este o prezenţă obişnuită pentru militari. Fabricarea unor surse mai puternice
de radiaţii electromagnetice din spectrul vizibil şi direcţionarea luminii
intensificate către ochii luptătorilor nu implică bariere tehnologice importante.
Orbirea adversarului chiar şi pe termen scurt duce la creşterea
vulnerabilităţii acestuia şi măreşte posibilitatea de a fi scos din luptă sau
nimicit.
Este de aşteptat ca această ameninţare să crească în viitorul apropiat,
iar proiectanţi căştilor şi vizoarelor de protecţie balistică vor fi nevoiţi să ia în
considerare acest fapt.
2.1.2. Materiale compozite utilizate la realizarea echipamentelor de
protecţie balistică individuale
Cercetările de până acum s-au concentrat în găsirea unor materiale
speciale şi a unor combinaţii şi configuraţii ale acestor materiale, capabile să
răspundă prompt şi sigur la ameninţările exploziei şi efectelor acesteia. Cele
Raport ştiinţific şi tehnic – FEMBALPROT, etapa I-2014 7
mai cunoscute materiale cu aplicabilitate în protecţia balistică individuală
sunt: fibra de sticlă, fibra de carbon, fibra de bor, fibrele organice, fibrele
acrilice, fibrele de nylon etc.
Fibra de sticlă (fig. 1) este cea mai veche şi mai des întâlnită fibră dintre
fibrele cu performanţe deosebite. Ea a fost fabricată începând cu anii 1930.
Deşi primele variante erau foarte rezistente, acestea erau relativ inflexibile,
având destul de puţine aplicaţii. Fibrele de sticlă din zilele noastre au
proprietăţi mult mai variate, fiind utilizate în diverse domenii.
Fig. 1. Fibră de sticlă
Fibrele de carbon (Fig. 2) pot fi, de asemenea, prelucrate pentru a se
obţine rezistenţa dorită. Sorturile de fibră de carbon diferă prin flexibilitate,
conductivitate electrică, termică şi rezistenţă chimică. Factorii primordiali care
guvernează proprietăţile fizice sunt reprezentaţi de gradul de carbonizare
(conţinutul de carbon, de obicei mai mare de 92% în greutate) şi orientarea
straturilor de carbon. Fibrele produse comercial au apărut pe piaţă în 1960 şi
conţin o gamă largă de produşi cristalini şi amorfi.
Se poate considera că fibrele de carbon fac tranziţia între fibrele
anorganice şi fibrele organice. Fibrele de carbon, împreună cu cele de sticlă, au
deschis era materialelor compozite. Fibrele de carbon au fost folosite prima
oară de către armate şi industria aviatică, şi mai târziu în industria
automobilelor.
Raport ştiinţific şi tehnic – FEMBALPROT, etapa I-2014 8
Fig. 2. Fibră de carbon
Fibrele de bor sunt fibre de carbon sau fibre metalice acoperite cu un
strat de bor pentru a îmbunătăţi proprietăţile fibrei. Totuşi, costul extrem de
ridicat al acestei fibre face ca ea să fie utilizată doar în aplicaţiile speciale la
temperaturi înalte şi în echipamentul de sport specializat. Hibridul carbon-bor
poate avea proprietăţi mai bune decât orice altă fibră simplă.
Fibrele aramidice au fost introduse în producţia comercială în anul
1971, fiind poliamide derivate din acizi aromatici şi amine. Datorită stabilităţii
inelelor aromatice, la care se adaugă tăria legăturii amidice (datorată conjugării
cu structurile aromatice), fibrele aramidice au proprietăţi fizice şi mecanice
mult mai bune decât poliamidele aromatice (nylon). Para-aramidele, bazate pe
acid tereftalic şi p-fenilendiamină sau acid p-aminobenzoic au proprietăţi mai
bune decât cele cu legăturile în poziţia meta a nucleelor benzenice. Structura
moleculară a fibrelor aramidice se poate vizualiza în Fig. 3.
Fig. 3. Structura moleculară a fibrelor aramidice
Dintre sortimentele comercializate cele mai cunoscute sunt: Kevlar şi
Twaron.
Fibrele aramidice au tex-ul (greutatea în grame a 1000 m de fir) cuprins
între 20 şi 800. Rezistenţa şi modulul fibrelor aramidice sunt mai mari decât
Raport ştiinţific şi tehnic – FEMBALPROT, etapa I-2014 9
ale oricăror fibre organice, dar nu mai mari decât ale fibrelor de carbon; de
asemenea, fibrele aramidice sunt mai puţin flexibile decât fibrele de carbon sau
cele de sticlă.
Fibrele aramidice sunt rezistente la acţiunea focului şi la atacul
substanţelor chimice, mai puţin la acizi şi baze foarte tari.
Kevlarul (poliparafenilendiamina-tereftalamidă) este o fibră para-
aramidică, cu formula prezentată în Fig. 4.
Fig. 4. Formula (sus) şi modelul unui strat din structura cristalului de
Kevlar (jos)
Kevlarul posedă o foarte bună stabilitate termică şi dimensională.
Datorită structurii sale, el rezistă la coroziune chimică pentru majoritatea
agenţilor chimici. Rezistă în condiţii foarte bune la flacără şi la căldură. De
asemenea, posedă excelente proprietăţi dielectrice şi rezistenţă la uzură.
Twaron-ul (poliparafenilen-tereftalamidă) este o fibră para-aramidică, cu
formula prezentată în Fig. 5.
Fig. 5. Formula (sus) şi modelul structurii unui cristal de Twaron (jos);
roşu-oxigen, albastru-azot, galben-legături de hidrogen
Raport ştiinţific şi tehnic – FEMBALPROT, etapa I-2014 10
Twaron-ul este o fibră sintetică foarte rezistentă, uşoară, formată din
polimer aramidic. Moleculele aramidice se caracterizează prin lanţuri de
polimer relativ rigide, unite prin legături puternice de hidrogen, care transferă
stresul mecanic înapoi şi înainte asemănător unui fermoar. Aceasta permite
utilizarea lanţurilor cu masă moleculară relativ mică. Caracteristicile unice ale
Twaron-ului derivă din capacitatea moleculelor aramidice de a se orienta
singure în timpul procesului de filare, rezultând fibre drepte. Prin comparaţie,
fibrele mai puţin rezistente formate din polimeri cum ar fi nylon-ul sau
poliesterul au aspectul unei mase de fibre încolăcite.
Fibrele de polietilenă cu rezistenţă ultra înaltă cunoscută sub numele
comercial Dyneema sunt obţinute printr-un procedeu tehnologic de tragere din
gel, spre deosebire de majoritatea fibrelor chimice sintetice care se trag din
topitură. Principala deosebire chimică care separă Dyneema de polietilenele
obişnuite este masa macromoleculei care se situează între unu şi trei milioane.
Alte deosebiri care conferă fibrei Dyneema caracteristici excepţionale sunt
orientarea paralelă a macromoleculelor şi cristalinitatea ridicată a materialului.
Aceste fibre au o combinaţie unică de proprietăţi. Densitatea este mai
mică decât unu, în timp ce tenacitatea lor este cea mai mare cunoscută şi
poate fi de peste 15 ori mai mare decât a unui oţel de bună calitate. Modulul
de elasticitate este foarte înalt, situându-se pe locul doi după cel al fibrelor de
carbon de bună calitate. Elongaţia la rupere este mică, la fel ca şi în cazul
celorlalte fibre de mare performanţă, dar datorită tenacităţii, energia de rupere
este foarte mare.
2.2. Tehnologii de fabricaţie pentru echipamentele de protecţie
balistică individuală
2.2.1. Echipamentele de protecţie balistică şi confortul
De obicei, vestele antiglonţ sunt formate din două părţi, pachetul balistic
şi husa de transport. Panoul balistic este construit din diferite straturi de
material de protecţie balistică. Aceste straturi pot fi din acelaşi material sau
din tipuri diferite de material, care mai apoi sunt laminate între ele pentru a
realiza un anumit nivel de protecţie. Husa de transport este realizată din
ţesături de material obişnuit, cum ar fi ţesăturile din poliester. Panoul balistic
poate fi introdus sau cusut în husa de transport. Performanţele şi proprietăţile
vestei antiglonţ depind de amplasarea şi numărul de straturi ale acestui panou
de protecţie.
Confortul este legat în principal de numărul diferitelor straturi de
ţesătură şi de materialele panoului balistic. Obiectivul final al producătorilor de
echipamente de protecţie balistică este acela de a oferi protecţie maximă şi
confort, în condiţiile unei greutăţi cât mai reduse.
Contribuţia echipamentului de protecţie la supravieţuirea luptătorului
este foarte importantă. Potrivit unui studiu al Institutului Naţional de Justiţie
Raport ştiinţific şi tehnic – FEMBALPROT, etapa I-2014 11
al SUA din 2006, vieţile a trei mii de ofiţeri de poliţie din SUA au fost salvate
datorită vestelor antiglonţ, în decursul ultimilor 30 de ani. Ofiţerii de poliţie nu
poartă vestele antiglonţ tot timpul, ci doar în momentele în care sunt de
serviciu. Cu toate acestea, militarii aflaţi în diverse teatre de operaţii sunt
nevoiţi să poarte echipamentul de protecţie tot timpul. Vestele de protecţie
balistică folosite de către poliţişti sunt diferite de cele utilizate în cadrul
armatei, întrucât nivelurile ameninţărilor pe care aceştia le întâlnesc sunt
diferite. Pe lângă nivelul de protecţie balistică, confortul reprezintă cea mai
mare problemă ridicată de aceste echipamente. Performanţele utilizatorilor pot
fi afectate de către nivelul de confort scăzut existent în timpul utilizării acestor
veste. Dacă vesta antiglonţ obişnuită nu poate oferi un nivel adecvat de
confort, nu este greu de imaginat disconfortul militarilor în momentul în care
aceştia poartă veste de protecţie balistică cu panouri de protecţie suplimentare.
Studiile actuale arată că, atunci când vestele antiglonţ sunt purtate de
către femei, apare un spaţiu liber între sâni şi panoul de protecţie, iar acest
spaţiu liber poate fi suficient de mare încât să încapă o grenadă, creând un
pericol suplimentar pentru femeile soldaţi. Mărimea cea mai mică (extra small)
este prea largă sau prea lungă pentru 85% din personalul feminin. Mai mult
decât atât, este dificil să respiri ca urmare a presiunii exercitate de panoul
balistic frontal asupra zonei pieptului. Aceşti factori măresc riscul de rănire
pentru femeile care poartă aceste tipuri de veste antiglonţ.
Sunt câteva proprietăţi ale vestelor antiglonţ care le definesc. Dintre
acestea rezistenţa la impact şi confortul, definit ca ajustare pe corp şi
mobilitate, sunt cele mai întâlnite şi mai necesare nevoi ale purtătorilor de
astfel de echipamente.
Rezistenţa la impact. Protejarea corpului faţă de impactul ce este
generat de diferite gloanţe sau schije a reprezentat una dintre ideile incipiente
ale inventării vestelor antiglonţ. De regulă, oamenii cred că principala utilitate
a vestei antiglonţ este de a preveni penetrarea corpului uman de către gloanţe
sau schije. Cu toate acestea, unele cercetări şi statistici recente au arătat că
traumatismele provocate ca urmare a impactului gloanţelor pot fi periculoase.
Se pot produce leziuni interne grave, echimoze sau chiar moartea. Vestele
antiglonţ, în special cele ce conţin materiale rigide, ar trebui să poată îndeplini
cel puţin următoarele trei funcţii de protecţie: în primul rând, disiparea
impactului, în al doilea rând, prevenirea penetrării şi în al treilea rând,
absorbţia energiei rezultate în urma impactului. Oamenii de ştiinţă şi
producătorii de echipamente balistice sunt de asemenea angajaţi în dezvoltarea
de noi materiale cu proprietăţi mai bune şi mai rapide de disipare a energiei
rezultată în urma impactului, cât şi de absorbţie a acesteia.
Confortul ( ajustarea pe corp şi mobilitatea). Confortul este definit ca
un concept abstract şi cu un sens foarte larg, fiind de asemenea foarte
subiectiv. Acesta poate fi reprezentat fie ca o senzaţie fizică, fie ca una
psihologică. Standardele după care oamenii îşi identifică nivelul de confort
Raport ştiinţific şi tehnic – FEMBALPROT, etapa I-2014 12
sunt variate. Din acest motiv este foarte greu pentru proiectanţi să rezolve
această problemă. Cu toate că vestele de protecţie balistică au salvat mii de
vieţi ale ofiţerilor de poliţie, peste 40% dintre aceştia încă nu poartă vestele
antiglonţ, din cauza disconfortului provocat. Motivul principal este reprezentat
de disconfortul dat de problemele de ajustare şi de disipare a căldurii, care
afectează performanţele acestora în timpul purtării vestei.
Mulţi proiectanţi, producători şi oameni de ştiinţă sunt angajaţi în
dezvoltarea unor noi design-uri, pentru a creşte nivelul de confort. Proiectanţii
se concentrează în special pe determinarea unui sistem de măsuri şi pe formele
care împiedică mobilitatea, în timp ce producătorii şi oamenii de ştiinţă se
concentrează pe inventarea de noi materiale care să ofere proprietăţi de
rezistenţă la apă, flexibilitate, dar şi respirabilitate mai bune.
Principalele tehnologii folosite pentru realizarea panourilor de protecţie
balistică profilate pe forma corpului uman sunt:
- termoformarea: prelucrarea la cald a ţesăturilor de protecţie balistică
ranforsate cu diverse răşini şi apoi introducerea lor în prese care vor asigura la
răcire forma dorită;
- plisarea radială: realizarea de pliuri de material pe partea laterală a
valului de material în cute regulate şi apoi suprapunerea lor;
- draparea avansată: tehnică de cutare avansată ce presupune
suprapunerea verticală a straturilor de material textil, pentru a obţine o formă
neregulată a articolului de îmbrăcăminte.
În plus faţă de pachetul de protecţie balistică, pentru a putea asigura
purtarea şi confortul echipamentelor de protecţie balistică individuală se includ
repere ce includ: plătci pentru fermoare, pernuţe de umeri care adaugă suport
adiţional pentru umeri, pernuţe pentru zona axilară pentru reducerea frecării,
un material spaţial pentru a opri mişcarea vestei, elastic din microfibră care
ajută la păstrarea formei în jurul bustului, ţesături antibacteriene.
Cea mai mare provocare pentru realizarea unui echipament de protecţie
balistică individuală pentru personalul feminin constă în crearea unui material
balistic compozit sau laminat, care să poată fi utilizat în una dintre cele trei
tehnologii menţionate mai sus, pentru proiectarea în conformitate cu formele
feminine.
KEVLAR® HT a devenit fibra de referinţă pentru vestele antiglonţ folosite
de forţele armate europene. KEVLAR® în ţesătura tip 802 a fost special
conceput pentru a oferi un nivel înalt de protecţie la schije.
KEVLAR KM2®, lansat în 1991, este o fibră KEVLAR® realizată de DuPont
pentru aplicaţii militare. KEVLAR KM2® are capacitatea de absorbţie a energiei
cu 20% mai mare decât a KEVLAR® HT şi totodată o foarte mare rezistenţă
balistică. Această rezistenţă balistică e dată de coeficientul v50 care înseamnă
viteza glonţului ce are probabilitatea de penetrare a sistemului de 50%.
Aceasta reprezintă mărimea universală a limitei rezistenţei balistice a unui
sistem şi e folosită de forţele NATO pentru evaluarea echipamentelor de
protecţie balistică individuală (veste şi căşti).
Raport ştiinţific şi tehnic – FEMBALPROT, etapa I-2014 13
Pentru a acoperi cerinţele majore de protecţie pentru căştile militare
DuPont a realizat un domeniu complet al ţesăturilor din KEVLAR®, numit
KEVLAR® H-Shell, care asigură un v50 de 500-700 m/s împotriva schijelor
standard de 1,1 g, cu o greutate a căştilor de 1,5 kg. La greutăţi echivalente
aceste căşti oferă o valoare a v50 cu 40-50% mai mare decât a căştilor din oţel.
Produse fabricate din KEVLAR® H-Shell sunt folosite de majoritatea forţelor
militare europene.
KEVLAR® este de asemenea folosit în protecţia împotriva muniţiei
armelor de asalt cum ar fi gloanţele de 7,62 mm şi 5,56 mm NATO, fiind folosit
în combinaţie cu materiale ceramice. Plăcile rezultate cresc nivelul de protecţie
împotriva acestor tipuri de gloanţe şi sunt de asemenea folosite pentru
blindarea vehiculelor şi elicopterelor civile şi militare şi totodată în
confecţionarea blindajelor ultra-uşoare (pt. elicoptere).
Twaron-ul este o fibră sintetică foarte rezistentă uşoară formată din
polimer aramidic. Moleculele aramidice se caracterizează prin lanţuri de
polimer relativ rigide, unite prin legături puternice de hidrogen, care transferă
stresul mecanic înapoi şi înainte asemănător unui fermoar. Aceasta permite
utilizarea lanţurilor cu masă moleculară relativ mică. Caracteristicile unice ale
Twaron-ului derivă din capacitatea moleculelor aramidice de a se orienta
singure în timpul procesului de filare rezultând fibre drepte.
În figura 6 sunt prezentate comparativ variaţiile densităţilor specifice
(kg/m2), funcţie de viteza maximă a gloanţelor oprite, pentru cele mai
performante trei sorturi de ţesătură Kevlar.
Figura 6: Caracteristicile balistice ale diferitelor sorturi de Kevlar
În figura 7 sunt prezentate densitatea greutatea specifică şi
grosimea straturilor de diferite tipuri de Kevlar, la diferite niveluri de protecţie
(în conformitate cu standardul Institutului Naţional de Justiţie al SUA - NIJ),
precum şi rezistenţa lor la împungere.
Fibrele aramidice stau la baza obţinerii unei game foarte largi de
materiale compozite. Acest lucru este determinat de faptul că fibrele aramidice
se pot utiliza sub diverse forme (fibre continue, fibre scurte etc.), în combinaţie
cu diferite tipuri de matrici polimerice (termoreactive, termoplastice etc.).
Raport ştiinţific şi tehnic – FEMBALPROT, etapa I-2014 14
Figura 7: Caracteristici fizice şi balistice ale Kevlarului
În tabelul 1 sunt prezentate proprietăţile mecanice ale materialelor
compozite obţinute cu fibre Kevlar 49 şi matrice polimerice termoreactive, iar în
tabelul 2 sunt prezentate proprietăţile materialelor compozite obţinute din fibre
aramidice scurte şi matrice polimerice termoplastice.
Tabelul 1. Proprietăţile mecanice ale compozitelor cu fibre Kevlar 49
ProprietateRăşină
epoxidicăa
Răşină poliestericăb
Răşină poliestericăc
Conţinutul de fibre, % 50 40 37
Densitatea, g/cm3 1,33 1,30 -
Rezistenţa la întindere, MPa 517 414 400
Modulul de întindere, GPa 31 24 23
Deformarea la rupere, % 1,7 - -
Rezistenţa la compresiune, MPa
83 - -
Modulul la compresiune, GPa 31 - 32
Rezistenţa la flexiune, MPa 345 207 220
Modulul la flexiune, GPa 27,6 20 19a America Cyanamid BP-epoxy; b poliester "Corezyn"; c Atlac-ICI reticulat la rece cu
peroxid de MEK.
Tabelul 2. Proprietăţile materialelor compozite obţinute din Kevlar 49 scurte (20 % vol.)
Matricea polimeră Orientarea
Rezistenţa limită la
întindere,MPa
Modululla
întindere, GPa
Alungirea
limită, %
Aria curbeitensiune-deformaremMN/m3
IonomerAleator în planUnidirecţional
119,3157,9
5,0338,894
2,93,1
1,992,96
Polietilenă Aleator în planUnidirecţional
73,77131,7
5,1610,6
2,32,3
1,061,71
Nylon 12Aleator în planUnidirecţional
106,9151,7
4,178,55
5,92,8
3,433,32
PolicarbonatAleator în planUnidirecţional
115,8163,4
5,069,79
3,02,1
1,941,83
Polimetil-metacrilat
Aleator în planUnidirecţional
182,0207,5
7,7911,10
3,02,0
3,012,08
Rezultate interesante se obţin în cazul compozitelor hibride, care
utilizează alături de fibre aramidice şi fibre de carbon. În tabelul 3 sunt
prezentate proprietăţile unor compozite hibride pe bază de fibre Kevlar-fibre de
carbon şi răşini epoxidice.
Raport ştiinţific şi tehnic – FEMBALPROT, etapa I-2014 15
Tabelul 3. Proprietăţile compozitelor unidirecţionale hibride cu fibre Thornel 300-Kevlar
49 în matrice epoxidică (conţinutul de fibre este de 60% vol.)
ProprietateRaportul fibrelor Thornel 300/Kevlar 49
100/0 75/25 50/50 0/100
Densitatea, g/cm3 1,6 1,56 1,51 1,35
Modulul la întindere, GPa 145 120 108 77
Rezistenţa limită la întindere, MPa 1565 1282 1213 1262
Rezistenţa limită la compresie, MPa 1007 938 688 286
Rezistenţa limită la flexiune, MPa 1606 1358 1103 634
Rezistenţa la forfecare, MPa 91 76 56 49
Fibrele aramidice sunt destinate obţinerii unor materiale compozite de
înaltă performanţă, utilizate în tehnica aerospaţială, în tehnica militară (căşti,
veste antiglonţ, elemente pentru avioanele de luptă etc.), în tehnica sportivă, în
industria automobilelor (cord pentru anvelope, curele de siguranţă, furtunuri
etc.), în marină (echipamente speciale pentru iahturi şi nave maritime).
Vestele de protecţie balistică pot fi flexibile sau rigide (prin utilizarea
unor inserţii din materiale rigide sau plăci de oţel, aluminiu, ceramică sau
Kevlar).
Vestele flexibile pot fi:
a) de corp (clasa I) care au aspectul unui maieu gros şi se poartă sub
îmbrăcămintea obişnuită, protejând toracele, faţă, spate şi lateral până la baza
şoldului. Aceasta oferă protecţie împotriva schijelor, gloanţelor cal. 9 mm şi
loviturilor armelor albe în zona apărată.
b) exterioare (clasa a II-a), care au un număr mai mare de straturi,
putând proteja în afară de torace şi abdomenul, gâtul, umerii şi chiar zona
pelviană. Există variante de veste la care toracele este protejat clasa a II-a iar
mâinile clasa I-a.
Vestele blindate sunt veste rigide, în construcţia lor utilizându-se inserţii
de materiale de blindaj rigid. Ele se împart în două clase: clasa IIIA şi clasa
IV de protecţie.
Cele mai răspândite sunt vestele blindate din clasa IIIA, cu buzunar în
faţă pentru panouri de blindaj suplimentar din: oţel, aluminiu, ceramică,
Kevlar sau combinaţii ale acestora. Complet echipată o astfel de vestă poate
ajunge până la maxim 10 kg, oferind protecţie împotriva gloanţelor perforante
ale pistoalelor mitralieră şi ale carabinelor cal. 9 mm, 5,56 mm de la distanţa
de 50 m, iar pentru alte tipuri de arme (pistoale, pistoale automate) la distanţa
de 5...10 m.
Panourile de blindaj suplimentar pot fi din:
- Kevlar rigidizat cu răşini sintetice;
- Kevlar pe placă de oţel de 2...5 mm;
- placă de oţel de blindaj de 2...6 mm;
- placă din oţel inoxidabil de înaltă tenacitate de 3...5 mm;
- placă din oţel Al-Ti de 4...6 mm;
- placă sandwich din plăcuţe de ceramică pe bază de oxizi sau carburi de
Al, Si, B consolidate pe o placă metalică sau de Kevlar.
Raport ştiinţific şi tehnic – FEMBALPROT, etapa I-2014 16
2.3. Studiu antropometric preliminar privind măsurile
personalului feminin din sistemul naţional de apărare
2.3.1. Generalităţi
Îmbrăcămintea modernă de protecţie trebuie să răspundă unei mari
varietăţi de cerinţe multifuncţionale şi să ofere un nivel foarte ridicat de
protecţie, precum şi un confort remarcabil şi purtabilitate, care influenţează
performanţa fizică a purtătorului.
În domeniul echipamentelor de protecţie balistică, accentul se pune mai
ales pe confortul in purtare, discretie si reducerea traumei prin cresterea
capacitatii de absorbtie a energiei, precum si a capacitatii de oprire a
proiectilului.
Confortul vestelor de protectie balistica se refera la greutate si ergonomie
– produse usoare care sa raspunda cerintei de purtare permanenta, discrete si
adaptate morfologic purtatorilor.
In orice profesie o persoană trebuie să poată să își desfășoare activitatea
în condiții de siguranță, în mod eficient și confortabil. Complexitatea tot mai
mare a echipamentelor de protectie balistica folosite în cadrul misiunilor și
natura inerent periculoasă a acestor misiuni impun aplicarea unor principii
ergonomice la toate aspectele legate de muncă si echipament de protectie.
Deși proporția de persoane de sex feminin din structurile sistemului
naţional de aparare este în creștere, încă se mai utilizează echipamente de
protectie individuală și echipamente special concepute pentru bărbați. Această
practică poate fi nesigura și inconfortabila în anumite.
O bază de date antropometrice operaționala a persoanelor de sex feminin
va permite fabricanților să proiecteze echipamentele în mod special pentru
personalul feminin, care are cerinţe diferite din punct de vedere al
caracteristicilor de confort.
2.3.2. Aspecte teoretice privind proiectarea constructiva a
echipamentelor de protecţie individuală
Proiectarea oricărui tip de echipament de protecţie individuală trebuie să
se bazeze pe informaţii cu privire la:
forma şi dimensiunile corpului purtătorului căruia îi este destinat
produsul
condiţiile concrete de exploatare a produsului (destinaţie, domeniu de
utilizare)
particularităţile tipului de produs (poziţie în raport cu corpul, formă,
siluetă, croială, modalităţi de realizare a formei spaţiale etc.)
caracteristicile materialelor din care se va confecţiona produsul (grosime,
alungire, elasticitate, contracţie la tratamente umido-termice etc.)
particularităţile tehnologiei de execuţie.
Raport ştiinţific şi tehnic – FEMBALPROT, etapa I-2014 17
Pentru asigurarea corespondenţei dimensionale a produsului cu corpul
purtătorului, se impune cunoaşterea particularităţilor anatomomorfologice ale
corpului uman, pe grupe de vârstă şi pe sexe, precum şi criteriile de clasificare
a corpurilor pe tipuri morfologice. Aceste informaţii se obţin pe baza
desfăşurării unor cercetări antropologice complexe.
Structura anatomică a corpului uman este aceeaşi pentru orice exponent
al rasei umane, dar dimensiunile şi forma corpului sunt caractere cu
variabilitate individuală. Ele sunt determinate de structura şi gradul de
dezvoltare a aparatului locomotor, gradul de dezvoltare şi modul de repartizare
a ţesutului adipos subcutanat, particularităţi metabolice etc.
Caracterizarea formei exterioare a corpului se face pe baza metodelor
specifice anatomiei formelor vii (anatomia plastică). Se analizează segmentele
corpului: cap, gât, trunchi, membre superioare şi membre inferioare şi se
evidenţiază forma acestora în plan anterior, posterior şi lateral (sagital).
În caracterizarea sub raport antropometric a corpului se utilizează şi alte
tipuri de mărimi, cum ar fi masa corpului (kg) şi unghiurile (°). În fig. 8 este
prezentată clasificarea mărimilor antropometrice
Fig. 3 Clasificarea mărimilor antropometrice.
Fiecare om poseda caractere biologice generale, informatii genetice
determinante care-i asigura bazele biologice ale existenţei sale. Alaturi de
caracteristicile biologice - totalitatea indicatorilor anatomici, fizici, psihici şi
antropomorfologici - omul are şi trasaturi sociale ce il caracterizează ca
persoană.
Analiza formei corpului este un element util atat designer-ului dar şi
proiectantului echipamentului de protectie:
designer-ul stabileste silueta (forma) potrivita pentru produsul de
îmbrăcăminte şi alte elemente estetice;
proiectantul stabileste tiparul potrivit cu toate elementele de detaliu,
adaosurile constructive, etc.
Mărimi antropometrice
1. Dimensiuni (cote antropometrice) (cm) 2. Unghiuri (°) 3. Masă (kg)
1.1. Dimensiuni liniare 1.2. Dimensiuni curbilinii
1.1.1. Înălţimi 1.2.1. Lungimi
1.1.2. Diametre 1.2.2. Lăţimi
1.1.3. Adâncimi 1.2.3. Perimetre
1.1.4. Coordonate 1.2.4. Arce
Raport ştiinţific şi tehnic – FEMBALPROT, etapa I-2014 18
Pentru dimensionarea corectă a tiparelor nu este suficient să se
preleveze doar caracteristicile antropometrice, este necesar să se studieze
corpul uman pe segmente: cap, gât, trunchi, membre superioare, membre
inferioare şi în ansamblu şi de asemenea să se evalueze indicatorii
morfologici care se clasifică în patru grupe:dimensiunile totale (globale),
proporţiile, conformaţia, ţinuta.
2.3.3. Măsurători preliminare
Pentru caracterizarea morfologica a grupului tinta femei din sistemul
national de aparare, in scopul constituirii bazei de date necesara proiectarii
echipamentelor de protectie balistica, este in curs de desfasurare in cadrul
proiectului o ancheta antropometrica prin utilizarea tehnologiei de scanare 3D
a corpului uman.
Echipamentul utilizat la realizarea anchetei antropometrice este un
sistem mobil 3D Body Scanner VITUS XXL Anthroscan Professional
Scanerele tridimensionale ale întregului corp au un potenţial
semnificativ pentru industria mondială de confecţii. Ele pot furniza rapid,
consistent şi precis, date pentru redefinirea sistemelor de măsuri, astfel încât
acestea sa se potriveasca mai bine, mai aproape de forma corpului uman.
Scanerele 3D constau dintr-una sau mai multe surse de lumină, unul
sau mai multe dispozitive de captare a imaginii, software, computere şi ecrane-
monitor pentru vizualizarea procesului de culegere a datelor.
Sistemul 3D body scanner, este compus din hardware si software,
creaza date digitale care reprezinta forma umana sau parti ale acesteia in
forma tridimensionala, fig.9.
Fig. 9 Sistemul mobil de masurare 3D
In cadrul acestei etape a proiectului au fost masurati prin scanare 3D un
numar de 105 subiecti, femei din sistemul national de aparare. Cele 150
dimensiuni 3D preluate automat in timpul scanarii pentru fiecare din cei 105
subiecti au fost stocate intr-o baza de date. Subiectii masurati au fost
chestionati asupra unor date de importanta majora pentru prelucrarea
Raport ştiinţific şi tehnic – FEMBALPROT, etapa I-2014 19
ulterioara a datelor primare. In acest sens fiecare subiect a completat un
chestionar, fără a furniza date privind identitatea subiectului.
In etapa urmatoare a proiectului, dupa finalizarea anchetei
antropometrice, fiecare marime antropometrica selectata pentru cercetarea
indicatorilor morfologici specifici grupului tinta va fi supusa prelucrarii
statistice unidimensionale prin utilizarea de programe specializate.
Parametrii statistici calculati vor permite evaluarea antropomorfologica a
femeilor din sistemul national de aparare si constituirea unei baze de date
primare necesare in proiectarea echipamentelor de protectie balistica.
Raport ştiinţific şi tehnic – FEMBALPROT, etapa I-2014 20
3. Rezultate obţinute
Din punct de vedere al corelaţiei dintre rezultatele obţinute şi activităţile
etapei I din cadrul proiectului, considerăm că acestea sunt în deplină
concordanţă cu obiectivele specifice ale etapei.
Astfel, în perioada de derulare a etapei au fost realizate un studiu privind
cerinţele şi identificarea materialelor de protecţie balistică ce pot fi utilizate
ulterior în cadrul proiectului, un studiu privind tehnologiile de fabricaţie
pentru echipamentele de protecţie balistică individuală şi un studiu
antropometric preliminar privind măsurile personalului feminin din sistemul
naţional de apărare.
Aceste rezultate sunt:
a. ”Studiu privind cerinţele şi identificarea materialelor de protecţie balistică”, înregistrat la CO cu nr. A3330/ 26.11.2014, realizat de CO, CCSACBRNE;b. ”Studiu privind tehnologiile de fabricaţie pentru echipamentele de protecţie
balistică individuală”, înregistrat la CO cu nr. A3331/26.11.2014, realizat de P1, SC STIMPEX SA;c.”Studiu antropometric preliminar privind măsurile personalului feminin din
sistemul naţional de apărare”, înregistrat la CO cu nr. A3329/26.11.2014
realizat de P2, INCDTP.
Rezultatele obţinute în cadrul acestei etape vor fi diseminate în cadrul
site-ului web al proiectului.
Sintetic, indicatorii de proces şi cei de rezultat specifici proiectului sunt
prezentaţi în tabelul următor.
Indicatori de proces Valoarea investiţiilor în echipamente pentru proiecte 0 leiNumărul de întreprinderi participante 1Numărul de IMM participante 1
Indicatori de rezultat Numărul de articole publicate sau acceptate spre publicare în fluxul ştiinţific principal internaţional
0
Factorul de impact relativ cumulat al publicaţiilor publicate sau acceptate spre publicare
0
Numărul de citări normalizat la domeniu al publicaţiilor
0
Numărul de articole/comunicări publicate sau acceptate spre publicare în reviste sau conferinţe fără cotaţie ISI
0
Numărul de studii şi documentaţii elaborate în cadrul proiectului
3
Produse (model experimental) 0Numărul de cereri de brevete de invenţie înregistrate în urma proiectului, din care:
0
- naţionale 0 - internaţionale 0Ponderea contribuţiei financiare private la proiect 9,23%Valoarea contribuţiei financiare private la proiect 12.200 lei
Director proiectCpt.dr.ing.
Teodora ZECHERU