Besserer Schutz gegen FPV-Schrapnell

Unser Freund Jake Ganor hat einen ganz interessanten Artikel für Body Armor News geschrieben und wir wollen seine Überlegungen mit Euch teilen. Wir waren so frei und haben alle Einheiten ins metrische System übersetzt. Wer dann doch lieber „Grain“ und „Feet per Second“ haben will, einfach auf Englisch umstellen:
Ich habe ein paar Worte zur Schrapnellbedrohung geschrieben, obwohl es sich dabei um konventionelle Artillerie und Mörser handelte. Um es sehr kurz zusammenzufassen: Kein Soldat kann in der Nähe einer detonierenden Artilleriegranate bleiben, da die Druckwelle stark genug ist, um sofort zu töten. Wenn Schrapnell das Problem ist, sind sie weiter weg und diese Splitter sind normalerweise bereits einige Meter weit geflogen. Da Granatensplitter in der Luft schnell abgebremst werden, sind sie bei Ankunft relativ langsam; der statistisch durchschnittliche, verletzende Granatsplitter wiegt ~1 g und bewegt sich mit ~300 m/s, und ein Soldat im Bereich der Explosion einer detonierenden Granate könnte von einem oder zwei solcher Splitter getroffen werden.

Die Drohne, insbesondere die FPV-Drohne, ist ganz anders. Das ist eine Tatsache, die Rüstungsdesigner und die militärische Beschaffung bisher noch nicht anerkannt haben.

Es gibt keinen generischen „FPV-Sprengkopf“; es gibt ein Menü angepasster Munition, die von einer gezielten Plattform getragen wird. Es gibt drei wesentliche Unterschiede zwischen der Drohnenbedrohung und der Artilleriebedrohung: 

1. Drohnengetragene Sprengköpfe sind klein - insgesamt unter 6,5 Pfund (~3 kg) -, sodass der tödliche Explosionsradius winzig ist.
2. Die Plattform zielt, sodass Detonationen beim Kontakt, innerhalb von wenigen Metern vom Ziel, oder als absichtlich per Befehl detonierte Luftsprengungen auftreten. 
3. Die Plattform wählt die Geometrie: Boden- und Parapetexplosionen treiben Schrapnell nach oben in das Becken, die Leiste, die Oberschenkel und die Arme; Luftsprengungen drücken sie nach unten in den Schädel, Nacken, Joch und Schultern.

Bei der Artillerie konnten wir bestimmen, wie der statistisch durchschnittliche Splitter aussieht. Bei Drohnen können wir das nicht, da es drei unterschiedliche Kategorien gibt: 

• Eine leichte, sehr schnelle Kategorie: Ungefähr 0,1 - 0,5 g, die mit 1.300 bis 1.800 m/s von ummantelten RPG-Sprengköpfen und anderen kompakten vorgeformten Elementen gestartet werden. 
• Eine leichte, langsamere Kategorie: ebenfalls ungefähr 0,1 - 0,5 g, aber abgeworfen durch die natürliche splitterierung von VOG-Granaten mit etwa 900 m/s. 
• Eine mittel-schwere Kategorie: Ungefähr ~0,6 - 2 g von speziellen Sprenggranaten (VMZ’s OG-7V-Spezifikation listet mindestens 850 Splitter mit einem Durchschnitt von ~1 g; ihr OFG-7V, 360 halbfertige Schrapnelle mit ~2 g), Granatsplitter und einen Großteil des abgeworfenen Mörserspektrums. Diese starten typischerweise bei 760 - 1.300 m/s und kommen bei den Geometrien des Beinahe-Treffers, in denen Weichballistik etwas ausrichten können, mit etwa 500-850 m/s, im Durchschnitt etwa 2350 m/s, an. Schwere Splitter über ~3,2  g sind viel weniger häufig als bei 122-155 mm Artillerie und müssen hier nicht berücksichtigt werden.

Was Körperschutz bewirken kann und was nicht

Der Abstand - die Distanz von der Detonation - ist die entscheidende Variable, und es gibt bedauerlich wenig öffentliche Daten: Es gibt keine glaubwürdige veröffentlichte Verteilung der Distanz vom Körper zur Explosion. Nehmen wir an, dass verletzende Detonationen ungefähr logarithmisch-uniform über etwa 2-35 Meter verteilt sind. In diesem Fall treffen etwa 85–98,6 % der Splitter, die eine Person treffen, oberhalb der heutigen Schutzgrenze der Weichballistik ein!

Lasst es uns anders formulieren: Standard Weichballistik wird die Hälfte dieses Schrapnells nicht aufhalten, und in einigen Fällen wird sie nicht viel mehr als 1% davon aufhalten!

Weichballistik wurden entwickelt, um Granatsplitter bei 490 m/s aufzuhalten, und das aktuell ausgegebene US-Militär-Weichabllistik hat eine 1,1 g FSP (Fragment-Simulating Projectile) V50 von ungefähr 550 m/s - was bedeutet, dass die Hälfte aller 1,1 g Schrapnelle wahrscheinlich bei 550 m/s durchdringen, die meisten wahrscheinlich bei 580 m/s und fast alle 1,1 g Schrapnell bei 640 m/s durchdringen werden. Diese Art von Weichballistik ist keine Barriere gegen Schrapnell, das sich mit über 1.000 m/s bewegt, egal wie schwer sie sind.

Wenn wir als axiomatisch annehmen, dass tragbare Rüstungen für den Schutz vor wahrscheinlichen Bedrohungen optimiert sein sollten, dann ist die Folgerung, dass das Designproblem der Beinahe-Treffer und nicht der direkte Treffer ist. Rüstung muss um die höchste Häufigkeit von Splittern konstruiert werden, die sie realistisch abfangen kann: Der Soldat, der nah genug im Explosionsradius ist, um getroffen zu werden (vielleicht mehrere Male), aber weit genug entfernt ist, dass das ankommende Schrapnell durch tragbare Rüstung gestoppt werden kann. Der 1.500 m/s Direktangriffs-Splittert ist ein Problem der Drohnenabwehr; der Beinahe-Treffer-Splitter ist das Problem der Weichballistik.

Vier weitere Punkte vervollständigen das Bedrohungsbild:

1. Die Aufprallverteilung: Der absolute Mediansplitter dieses Modells wiegt etwa 0,44 g mit 1.208 m/s.  Die „durchschnittliche Range“ liegt zwischen 0,38 g und 0,91 g bei 1.100 bis 1.300 m/s.  Dies umfasst Kontakt-Detonationen und Raketen-Sprengkopf-Detonationen, die durch Körperschutz realistisch nicht gemildert werden können.  Im niedrigeren Geschwindigkeitsbereich – der Splitter, die von der Weichballistik angesprochen werden kann – beträgt der Mediansplitter des Modells etwa 0,3 g bei ~700 m/s; die Hälfte der Masse und mehr als doppelt so schnell wie der Anfangs genannte Artilleriedurchschnitt. Dieser Mediansplitter ist die leichte und langsame Kategorie, die sich zeigt: Ein 0,25 g VOG-Klasse-Splitter, der mit 900 m/s startet, kommt mit etwa 700 m/s  in 6 m Entfernung an.
2. Die Anzahl: Während ein Soldat im Bereich des Artillerie-Schrapnells von einem oder zwei Splittern getroffen werden könnte, stellt ein FPV-Beinahe-Treffer eine Wolke dar - irgendwo zwischen 6 bis zu 70 nahezu gleichzeitig ankommenden Splittern über ein körpergroßes Gebiet. Einzel-Testprotokolle unterschätzen dieses Problem, weshalb Cluster-Testverfahren in den Empfehlungen unten auftauchen.
3. Verbesserte Regelmäßigkeit: Kompakte Kugeln und Zylinder behalten die Geschwindigkeit besser als taumelnde unregelmäßige Schrapnelle gleicher Masse - in den gewählten Geometrien unseres Modells haben sie halbe Geschwindigkeit bei ungefähr 85 Fuß (ca. 26 m) gegenüber 55 - sodass das gefährliche Gebiet ummantelter Sprengköpfe weiter hinausreicht, als die Intuition zu natürlichen Splittern vermuten lässt. Sie sind auch in Masse, Geometrie und Härte regelmäßiger, was sie vorhersagbarer macht. Deshalb ist es sehr wichtig diese direkt zu testen.
4. Materialheterogenität: Das Standard-„splitter-simulierende Projektil“, das in Rüstungstests verwendet wird, ist auf ~30 HRC gehärtet, was es minimal härter macht als ein natürlicher Granatsplitter, aber allgemein viel weicher als ein vorgeformter Stahlsplitter, das in vielen Fällen ein 60-66 HRC Werkzeugstahl-Kugellager ist. Es ist auch erheblich weniger dicht als Wolframlegierung - und obwohl ein gleichschwerer Wolframsplitter nicht schwieriger zu stoppen ist als ein 30 HRC Stahl FSP, behalten Wolframsplitter ihre Geschwindigkeit viel besser bei als Stahl, sodass Tests gegen Wolfram geschwindigkeitsangepasst und auf erheblich schnellere Aufprälle ausgelegt sein müssen.  Wolfram ist in einer FPV-Sprengkopf-Ökonomie, die auf billigem Stahl basiert, relativ selten, aber es bleibt eine echte Bedrohung.

Die Druckwellen verändert das medizinische Bild, nicht das V50-Ziel. Von Drohnen transportierte Sprengköpfe sind klein. Im Freien setzen Splitter ihre tödliche Wirkung frei. Das liegt daran, dass die Druckwelle von kleinen Sprengladungen viel schneller abnimmt als die Splitter. Eine Granate mit entsprechender Füllung erzeugt einen Millisekunden-Überdruckimpuls, und die Letalität solcher Impulse ist überraschend begrenzt: Im Freifeld wird der Radius in Zentimetern bis zu einigen wenigen Metern gemessen, und selbst die größten FPV-gefüllten Sprengköpfe – etwa 700 g Sprengstoff – erzeugen tödlichen Überdruck nur auf etwa 2 m im Freien. Derselbe Sprengkopf schleudert Splitter mit 760-1.800 m/s, die über einige Meter gefährlich bleiben. Die Fragmentwolke hat eine Reichweite, die die Druckwelle um eine Größenordnung übertrifft – weshalb Granaten Splitter-Waffen und nicht Sprengkörper sind.

Der neue Weichballistik-V50-Baseline

Hier ist die Antwort klar: 650 m/s gegen den 1,1 g-FSP.  Die Zahl stammt aus einem Schritt und nicht aus einem Durchschnitt.  Da V50 steigt, während die Fragmentmasse sinkt - ungefähr als die inverse vierte Wurzel - läuft ein System, das mit 650 m/s gegen den 1,1 g-FSP bewertet ist, nahe 1100 m/s gegen einen 0,25 g -Splitter, und das liegt über der ungefähr 900 m/s Startgeschwindigkeit der VOG-Klasse mit natürlichen Splittern. Es ist viel mehr wert, die Startgeschwindigkeit einer Munition zu überschreiten, als ihre durchschnittliche Ankunftsgeschwindigkeit zu überschreiten, denn es umfasst die gesamte Splittermenge dieser Munition in jeder Entfernung, einschließlich direkten Kontakt. Also entfernt 650 m/s den leichten und langsamen Bereich vollständig aus dem Problem. Es berührt nicht die Raketen-Sprengkopf-Abkömmlinge - ummantelte vorgeformte Elemente mit bis zu 1.800 m/s und die OG-7V-Klasse mit 1.300 m/s bleiben über jeder Gewebe-V50 Fähigkeit, wenn des am Körper tragbar bleiben soll.

Die Gewichtskosten für einen 650 m/s V50 sind bemerkenswert bescheiden. V50 skaliert mit der Quadratwurzel der Flächendichte, daher landet man beim Wechsel vom aktuellen 550 m/s-Paket mit ungefähr 0,85 psf (Pound per Square Feet, Gewicht pro Fläche) auf etwa 1,2 psf - etwa ein bis 1,4 Kilogramm über einer vollständigen Weichballisitk Rüstung. 1,4 kg um eine gesamte Munitionsklasse aus dem Bedrohungsbild zu entfernen, ist ein guter Tausch.

630 m/s sollten das absolute Minimum für die hauptsächliche flexible Fragmentierungsschicht sein. Das ist keineswegs willkürlich: Unter etwa 630 m/s fällt das 0,25-g-Äquivalent unter die VOG-Klasse Startgeschwindigkeit, und der Bereich öffnet sich wieder. Weichballistik-Systeme mit V50 unter 630 m/s sind an Annahmen aus der Artillerieära verankert und verpassen zu viel des leichteren und schnelleren Spektrums.

Die Abdeckung muss berücksichtigt werden. Im Ukraine-Teil III-Belastungsmodell lag die marginale Verletzungsreduktion pro Pfung (~0,45 kg) bei ~0,057 für Torsoschutz, 0,039 für den Nacken, 0,035 für das Becken und 0,031 für die Schultern — im Vergleich zu ~0,020–0,023 für die Erhöhung von V50 in bereits abgedeckten Bereichen, und nur ~0,014 für Oberschenkel. Also: Kauf zuerst Torsoschutz, dann Nacken und Hals, dann Becken, dann Schultern - und bring diese Regionen zur 650 m/s-Klasse, bevor Du Oberschenkel-Schutz hinzufügst. Dann nach Anatomie bewerten:

Komponenten, die mit  390-630 m/s bewertet sind, sind sekundärer Schutz. Sie könnten nützlich sein, und sie sind die historische Basislinie, aber sie sind in unserer modernen FPV-Ära unterpowert.

Testen gegen die Bedrohung

Zunächst müssen wir den 1,1 g-FSP beibehalten - bei 1,1 g verankert er den mittleren Bereich gegen die ~0,9 g durchschnittlichen Splitter des OG-7V und beinhaltet Jahrzehnte extrem nützlicher Testdaten. Aber dann gibt es noch viel Arbeit zu tun, um darum herum aufzubauen:

1. Leichte Behälter. 0,1 g-Splitter bei 800-1220 m/s und 4-Grain bei 2130-3800 m/s; 1,1 g und 2 g bei 150-800 m/s. Es macht sehr viel Sinn, den 4 g Testsplitter durch einen repräsentativeren 2 g oder 2,5 g Splitter zu ersetzen.
2. Testgeometrie, nicht nur Masse. Meißelspitze-FSPs, RCCs, Stahlkugeln, kurze Zylinder, Würfel. Kugeln gleiten und verkeilen sich anders zwischen den Fasern, und gewebte und laminierte Systeme können anders gegen Kugeln als gegen FSPs abschneiden. Wenn die Bedrohung zunehmend vorgeformt ist, teste vorgeformte Geometrien – Kugeln und Würfel.
3. Teste nicht nur bei 0°. Aufsteigende ~10-45° für Boden-Explosionen, fallend ~30-60° für Luftsprengungen. Nimm keinen universellen Neigungs-Korrekturfaktor an. Manchmal ist es so, dass sich schnell bewegender Stahl leichter durch textile und komposite Rüstungen bei 30° durchsetzt als bei dem sogenannten Worst-Case 0° - dies ist tatsächlich ein bekannter Fall bei der 7.62x39mm MSC vs. UHMWPE-Platten und Helmen. (Siehe z.B. das PASS-Paper „V50 Study of Light-Weight Body Armour Inserts Under Angle Shot“ by Bolz et al. at Rheinmetall.)
4. Die Wolke. Cluster-Schüsse aus ~2,5, 5 und 10 cm Abstand, einschließlich Kanten, Nähte, Überlappungen und zuvor beschädigten Material, nahezu gleichzeitig wo praktikabel. Berichte über die Verschiebung in der Durchdringungs-Wahrscheinlichkeitskurve und Restgeschwindigkeiten; nimm keinen fixen Verschleiß für irgendwelche Strukturen an.
5. Teste gegen Wolfram und gehärteten Stahl. Wie oben erwähnt, sind FSPs im Allgemeinen auf etwa 30 HRC gehärtet. Das ist härter als Splitter von Hülsen, es ist ungefähr gleichwertig mit Wolframlegierungen, wobei die Dichte jedoch etwa 2,5x geringer ist, und es ist viel weicher als die gehärteten Stahlvorformteile, die manchmal in Fragmentierungshülsen verwendet werden, die normalerweise über 55 HRC und manchmal sogar 65 HRC hinausgehen. Nochmal, man kann keinen universellen Korrekturfaktor annehmen, und Rüstungen sollten wirklich gegen alle Arten von Bedrohungsmaterial getestet werden. Es könnte sein, dass ein System, das gegen FSPs ausreichend funktioniert, gegen gehärtete Stahlkugeln ziemlich miserabel versagt.  Wenn das der Fall ist, ist es besser, das im Labor herauszufinden, als im Feld.  (Es versteht sich von selbst, dass ein solches Ergebnis auch bedeuten würde, dass die eigene Seite vielleicht Splitter-Munition mit gehärteten Stahlhülsen einsetzen sollte, um leichter die Rüstung der anderen Seite zu durchschlagen.)
    

Lernen aus den Krieg – und was würde die Schlussfolgerung ändern

Unser Modell, wie alle ähnlichen Modelle, basiert auf Annahmen. Die meisten, wie Splittertyp und die Geschwindigkeits-Distanz-Kurve, sind ausreichend gut begründet. Aber die durchschnittliche Standoff-Distanz von der Detonation ist besonders wichtig, und hier sind viel mehr belastbare Daten erforderlich. Es ist so entscheidend für den Körperschutz, dass ich glaube, dass es als Priorität gemessen und von militärischen medizinischen und Nachrichtenteams berichtet werden sollte.

Splitter sollten aus Wunden, Rüstungen, Kleidung, Fahrzeugoberflächen und Gelände gesammelt werden; Masse, Geometrie, Material, Einschlagswinkel, anatomische Region und Engagement-Kontext sollten aufgezeichnet werden, mit Standoff in groben Kategorien – Kontakt, unter 2 m, 2-4,5 m, 4,5-9 m, über 9 m. Die chirurgischen Daten allein sind auf Überlebende und behaltene Splitter ausgerichtet; kombiniere sie mit Rüstungen und Umgebungsanalyse sowie instrumentierten Arenatests von repräsentativen Sprengköpfen. Dieser Datensatz würde direkt zu besseren Körperschutz und zu geretteten Leben führen.

Das 650 m/s V50 Ziel ist, glaube ich, ziemlich robust. Aber überleg mal, was es in Bewegung setzen würde: Wenn die verlustbringenden Entfernungen überwiegend sehr kurz sind, mit den meisten Treffern innerhalb von drei Metern, dann hat textile basierter Schutz wirklich keine Antwort auf die Drohnenbedrohung, und die Bemühungen sollten sich auf Tarnung, andere Methoden zur Bekämpfung von Drohnen und Verbesserung der Mobilität konzentrieren. Und wenn sich herausstellt, dass 2 g-Splittermunition bei jedem Abstand von 1,5-24 m dominieren, würde eine explizite 2-Gramm-Anforderung unerlässlich werden, getestet bei den eigenen niedrigeren Ankunftsgeschwindigkeiten dieser Klasse und nicht bei 1,1 g Geschwindigkeiten. Und wenn sich herausstellt, dass das modale vorgeformte Element eine gehärtete Kugel bei 60 HRC oder darüber ist, dann entspricht 650 m/s, gemessen mit einem 30 HRC FSP, materiell weniger realem Schutz, als es scheint, und das gesamte Ziel muss nach oben verschoben werden.

Artilleriegeschosssplitter und Splitter aus der FPV-Ära sind bemerkenswert unterschiedlich. Körperschutz, der für das eine gebaut wurde, ist nicht unbedingt die richtige Antwort für das andere. Der von Drohnen abgelieferte Splitter ist leichter, viel schneller, viel näher und kommt in einer dichteren und tödlicheren Wolke an. Testprogramme, Beschaffung, Design und Entwicklung müssen alle anfangen, aufzuholen.