Tecnologia de defesa —— Estudo experimental das capacidades à prova de balas do Kevlar, de diferentes pesos e número de camadas, com projéteis de 9 mm

2.1. Gel balístico

O gel balístico foi feito de gelatina sem sabor. A densidade e a consistência do gel devem ser as mesmas utilizadas pelo Federal Bureau of Investigation (FBI). Para obter a mesma consistência, as instruções fornecidas na Ref. [30] foram seguidos e foram testados de acordo com os padrões descritos na Ref. [31].

8 xícaras (250 ml) de gelatina em pó sem sabor (aproximadamente 1,25 kg) são misturadas com 8 L de água (1 parte de gelatina para cada 4 partes de água) até que todo o pó esteja dissolvido. Depois que a solução foi despejada nos recipientes (foram usados ​​recipientes de 2 x 5 L para a mistura acima), 5 gotas de óleo essencial (óleo essencial de folha de canela) foram derramadas sobre a solução e agitadas suavemente nela. A razão para o óleo essencial é permitir que as bolhas na solução se dissipem e dar ao gel balístico um cheiro melhorado. A solução é colocada em recipientes colocados na geladeira. O gel balístico ficou pronto para uso 36 horas após sua confecção e em seguida foi embrulhado em papel celofane. Um vídeo mostrando os detalhes para fazer o gel balístico está disponível emhttps://www.youtube.com/watch?v=0nLWqJauFEw.

A densidade do gel balístico foi calculada como 996 km/m3(99,6% da densidade da água). A densidade média do sangue, gordura e músculo humanos [32], que é a consistência da carne humana, é 1004 kg/m3. Uma diferença de 0,8% nas densidades é considerada aceitável para que o gel balístico reproduza a carne de um corpo humano.

2.2.Kevlar amostras

Três gramaturas de tecido Kevlar foram utilizadas nos testes, a saber, 160 GSM, 200 GSM e 400 GSM. Como o Kevlar pode ser usado como material tecido, a maior resistência do material poderia ser utilizada na orientação 0–90. As amostras foram empilhadas com uma orientação −45/+45 (quase isotrópica) que absorve mais energia no momento do impacto do que as orientações 0–90 empilhadas umas sobre as outras [33]. As amostras utilizadas nos testes foram confeccionadas em múltiplos de 3 camadas onde cada amostra foi estratificada na ordem de 90/±45/90. Quando duas ou três amostras foram colocadas uma sobre a outra, isso foi feito de forma que a última camada de uma amostra fosse colocada a 45° da próxima camada da próxima amostra.

As folhas de Kevlar foram divididas e cortadas em folhas de tamanho A4 para prepará-las para serem unidas usando a resina epóxi e o endurecedor recomendados. As amostras foram deixadas secar. As amostras foram cortadas após a resina ter pegado e aparafusadas umas às outras e foram colocadas em posição para os testes serem realizados.

Os testes balísticos foram realizados utilizando dois tipos diferentes de munição, a saber, jaqueta totalmente metálica (FMJ) e ponta oca encamisada (JHP) do calibre 9 mm Parabellum (P ou Para, para abreviar). O método utilizado para testar as amostras é descrito a seguir:

• 1)

• Um cronógrafo de arma de fogo foi configurado para medir a velocidade das balas. O cronógrafo foi colocado a 2 m do cano das armas de fogo para evitar que a chama do cano desse leituras imprecisas.

• 2)

• Um teste de linha de base foi realizado para determinar a velocidade do projétil diretamente no gel balístico. A equação da energia cinética
  E=(1/2)mv2

  foi usado para determinar a energia e a distância de penetração no gel balístico.

• 3)

• OKevlaras amostras foram então colocadas em frente ao gel balístico e este foi colocado a 1 m de distância do cronógrafo. A razão para a distância de 1 m é replicar o pior cenário, onde uma pessoa ou objeto é baleado a curta distância.

• 4)

• A amostra foi disparada com o projétil passando pelo cronógrafo para determinar sua velocidade inicial. Depois disso, a amostra é penetrada e o projétil fica alojado no gel balístico. As velocidades dos testes foram usadas para obter umavelocidade médialeitura que foi usada para atualizar os valores na etapa 2.

• 5)

• A distância de penetração no gel balístico foi medida e registrada.

• 6)

• A etapa 2 foi repetida para cada tipo de munição utilizada nos testes. A etapa 3 à etapa 5 foi repetida para cada amostra de Kevlar. Um teste com munição específica foi repetido se o projétil não viajasse diretamente dentro do gel balístico ou se penetrasse na amostra de Kevlar em uma área considerada não estruturalmente sólida.

Com as amostras de 3 camadas, os projéteis Parabellum FMJ de 9 mm viajaram um pouco menos em comparação com o caso sem Kevlar. Os projéteis de ponta oca viajaram mais longe em comparação com o caso sem Kevlar. O projétil Parabellum de 9 mm (número 4) não se deformou muito, mas a capa de latão começou a arrancar o projétil.

Os testes realizados com 6 camadas de Kevlar 160 GSM indicaram que os projéteis de ponta oca Parabellum de 9 mm foram mais longe em comparação com nenhum teste de penetração de Kevlar com o projétil número 4 indo quase a mesma distância de um projétil FMJ.

Com as 9 camadas de Kevlar 160 GSM, as distâncias correspondentes percorridas pelos projéteis no gel mostraram que os projéteis números 1, 3 e 4 foram mais longe depois de passar pelas 9 camadas de Kevlar 160 GSM, em comparação com os projéteis disparados na balística gel (sem Kevlar).

Os testes realizados com 12 camadas de Kevlar 160 GSM mostram que todos os projéteis apresentam uma tendência decrescente de profundidade de penetração em comparação com 9 camadas.

Como visto emFigura 3, as profundidades de penetração dos projéteis flutuam com a profundidade à medida que o número de camadas aumenta, mas é observada uma diminuição de 9 para 12 camadas em todos os casos. Observou-se que os projéteis de ponta oca penetraram nas camadas de Kevlar e no processo a ponta oca foi bloqueada com o material Kevlar. Uma vez que esses projéteis de ponta oca atingem o gel balístico, eles funcionam da mesma maneira que um projétil FMJ. Devido ao motivo acima mencionado com as amostras de Kevlar utilizadas, os projéteis penetraram ainda mais no gel balístico em comparação com os testes realizados sem Kevlar. Somente depois que camadas suficientes de Kevlar foram penetradas para absorver energia suficiente, o projétil apresentou características de penetração diminuída no gel balístico. Essa característica foi observada nos demais testes, com os diferentes pesos de Kevlar apresentados neste trabalho.

3.4. 200 GSMKevlar

Os testes de Kevlar 200 GSM foram realizados com amostras de 3, 6, 9, 12 e 15 camadas. Como o Kevlar 200 GSM é comumente usado em coletes à prova de balas, optou-se por realizar testes com 15 camadas. Os resultados da penetração no gel balístico são mostrados emFigura 4.

Os testes realizados com 3 camadas de Kevlar 200 GSM mostram que os projéteis Parabellum FMJ de 9 mm passaram pelo gel balístico e as distâncias percorridas em comparação com o caso sem Kevlar não foram reduzidas. Os projéteis de ponta oca Parabellum de 9 mm cresceram como esperado, e o projétil Parabellum número 4 de 9 mm tinha a jaqueta de latão alojada no gel balístico, mas o projétil de chumbo continuou e parou conforme registrado emFigura 4.

Com 6 camadas de Kevlar 200 GSM, observou-se que a distância de penetração do projétil 1 no gel balístico diminuiu enquanto os projéteis 2, 3 e 4 penetraram mais no gel balístico em comparação com o caso sem Kevlar.

Os testes realizados com 9 camadas de Kevlar 200 GSM mostram que o projétil número 2 penetrou mais profundamente no gel balístico em comparação com o caso sem Kevlar. Observou-se que os projéteis 3 e 4 tinham Kevlar bloqueado na ponta oca o que impedia seu crescimento. Os projéteis 3 e 4 viajaram ainda mais para dentro do gel balístico depois de penetrar 9 camadas de Kevlar 200 GSM em comparação com o caso sem Kevlar.

Com os testes realizados com 12 camadas de Kevlar 200 GSM, observou-se que os projéteis Parabellum FMJ de 9 mm, números 1 e 2, apresentaram cabeça mais achatada após a penetração. O projétil número 4, embora não tenha crescido muito com a ponta oca bloqueada com Kevlar, foi achatado mais na cabeça. O projétil número 3 não cresceu muito, mas havia evidências de deformação da ponta da cabeça.

Os testes realizados com 15 camadas de Kevlar 200 GSM tiveram ambos os projéteis FMJ indicando sinais de proliferação. Os projéteis números 1 e 2 mostram uma diminuição na profundidade de penetração no gel balístico em comparação com o caso sem Kevlar. No presente caso, os projéteis 3 e 4 foram parados pelas camadas de Kevlar.

Como visto emFigura 4, quando as médias entre os pontos são consideradas, parece indicar que ocorre um gradiente linear de penetração decrescente no gel balístico, uma vez atingido um pico em aproximadamente 6 camadas de Kevlar de 200 GSM. O Kevlar 200 GSM está apresentando um desempenho melhor em comparação ao Kevlar 160 GSM, como esperado. Em 15 camadas do Kevlar 200 GSM, os projéteis números 3 e 4 foram parados, mas não os projéteis números 1 e 2. Seguindo o gradiente médio, estima-se que os projéteis números 1 e 2 serão parados usando possivelmente 18 e 21 camadas de 200 GSM Kevlar, respectivamente.

• Os testes de Kevlar 400 GSM foram realizados utilizando amostras de 3, 6, 9 e 12 camadas, conforme indicado pelos resultados mostrados emFigura 5.

4. Análise e discussão dos resultados

Figura 6mostra a comparação das profundidades de penetração de diferentes projéteis em 3 camadas de 160 GSM, 200 GSM e 400 GSM Kevlar. Como visto emFigura 6, com os projéteis de ponta oca Parabellum de 9 mm, 3 camadas de Kevlar de 200 GSM pararam os projéteis na distância mais curta. 3 camadas de 400 GSM e 160 GSM Kevlar pararam mais os projéteis 1 e 2, respectivamente.

Figura 7,Figura 9indicam que não existem características semelhantes com projéteis diferentes para dois números diferentes de camadas de GSM semelhante. Um exemplo são 12 camadas de Kevlar 200 GSM e 6 camadas de Kevlar 400 GSM. Ambas as amostras têm um total de 2.400 GSM Kevlar cada. Ao comparar essas duas amostras diferentes, elas não diminuem a distância dos projéteis em uma quantidade semelhante. Correlações e conclusões semelhantes podem ser observadas em 3 camadas de 400 GSM Kevlar e 6 camadas de 200 GSM Kevlar. Cada um desses casos possui 1200 amostras GSM, mas não apresentam características semelhantes nos resultados.

Curvas médias para projéteis 1 e 2, mostradas emFigura 4, indicam que os projéteis parariam com 6 e 7 múltiplos de 3 camadas do Kevlar 200 GSM, respectivamente (ou seja, 18 e 21 camadas do Kevlar 200 GSM). Há uma tendência de aproximadamente duplicar o número de camadas de Kevlar necessárias, em comparação com o Kevlar realmente danificado para parar os projéteis. Com 18 e 21 camadas de Kevlar 200 GSM, fará com que os projéteis 1 e 2 parem em aproximadamente 9 e 10 camadas de Kevlar. Este número de camadas se correlaciona com o número de camadas de Kevlar que os coletes à prova de balas somente de Kevlar disponíveis no mercado contêm.

Alguns itens para sua referência:

https://www.senkencorp.com/bullet-proof-vest/military-vip-police-concealable-light-weight.html

https://www.senkencorp.com/bullet-proof-vest/high-quality-military-use-tactical-armor.html

https://www.senkencorp.com/bullet-proof-vest/military-ballistic-nij-iiia-pe-or-kevlar.html

https://www.senkencorp.com/bullet-proof-vest/bulletproof-vest-fdy3r-sk15.html

Vídeos para sua referência:

https://www.youtube.com/watch?v=Zc-HYAXSaqs

https://www.youtube.com/watch?v=YtBaebU7CTw

5. Conclusões

Comparações de 160 GSM, 200 GSM e 400 GSMKevlarsob impacto balístico foram feitos com os testes balísticos realizados com munição Parabellum 9 mm e com diferentes números de camadas de Kevlar. Observou-se que algumas camadas de Kevlar não são eficazes para parar os projéteis, mas forçam os projéteis a penetrar ainda mais no gel balístico. Somente com o aumento do número de camadas foi observada a diminuição da penetração do projétil no gel balístico. A razão para esse pico de penetração, principalmente com os projéteis de ponta oca, foi devido ao preenchimento do buraco com material Kevlar e fazendo com que ele funcionasse como um projétil FMJ. Gradientes negativos médios semelhantes foram observados entre o FMJ e os projéteis de ponta oca, uma vez atingido o pico.

Resumindo as contribuições deste artigo, pode-se concluir:

• 1)

• A eficácia de diferentes camadas de Kevlar de 160 GSM, 200 GSM e 400 GSM em camadas com gel balístico foi investigada, e descobriu-se que Kevlar 200 GSM era mais eficaz para parar um projétil Parabellum de 9 mm.

• 2)

• Verificou-se que não existe uma relação linear entre dois tipos diferentes de Kevlar com pesos diferentes (como 200 GSM e 400 GSM Kevlar), dispostos em camadas de forma que tenham o mesmo peso combinado.

• 3)

• Quatro tipos diferentes de munição Parabellum 9 mm foram testados e suas profundidades de penetração no gel balístico foram identificadas para diferentes camadas de Kevlar.

• 4)

• Foi avaliado que para uma munição Parabellum de 9 mm, que é mais comumente usada em todo o mundo, são necessárias 21 camadas de Kevlar 200 GSM, no mínimo, para parar o projétil. Sugere-se que, como medida de segurança, seja incluído um factor de segurança adicional, uma vez que a penetração depende também do perfil do projéctil.

Com base nos resultados apresentados acima para as características das camadas de Kevlar de diferentes pesos, espera-se que essas características possam ser utilizadas para desenvolver e projetar coletes à prova de balas seguros e eficazes.

A tendência geral de que é necessário duplicar a quantidade de camadas de Kevlar em comparação com a quantidade real de camadas danificadas, valeria a pena explorar em pesquisas futuras com diferentes munições. Pesquisas futuras também seriam capazes de indicar o efeito de penetração que projéteis e munições de menor calibre têm no Kevlar em comparação com a munição Pará de 9 mm. Da mesma forma, pesquisas futuras serão capazes de identificar como diferentes munições e projéteis penetram no Kevlar 200 GSM, como o Kevlar usado apenas em coletes à prova de balas. Com as características observadas com os projéteis de ponta oca penetrando mais profundamente no gel balístico, após a ponta oca ser bloqueada com Kevlar, pesquisas futuras permitiriam identificar se um efeito semelhante seria experimentado em um cenário onde o projétil penetrasse na roupa, antes de penetrar na carne. .

Agradecimentos

A pesquisa foi parcialmente financiada peloFundação Nacional de Pesquisa. As seguintes empresas e indivíduos são reconhecidos pela assistência, orientação e uso de suas instalações, em ordem alfabética: Borrie Bornman, John Evans, Centro de Avaliação e Treinamento de Competências em Armas de Fogo (+27 39 315 0379;fcatc1@webafrica.org.za), Henns Arms (revendedor de armas de fogo e armeiro;www.hennsarms.co.za;info@hennsarms.co.za), Fazenda e Reserva Natural River Valley (+27 82 694 2258;https://www.rivervalleynaturereserve.co.za/;info@jollyfresh.co.za), Marc Lee, David e Natasha Robert, Simms Arms (+27 39 315 6390;https://www.simmsarms.co.za;simmscraig@msn.com), Operações Southern Sky (+27 31 579 4141;www.skyops.co.za;mike@skyops.co.za), Louis e Leonie Stopforth. Deve-se notar que as opiniões dos autores deste artigo não são necessariamente as opiniões das empresas, organizações e indivíduos mencionados acima. Os autores não obtiveram nenhum ganho financeiro pelos testes realizados.