DE3013698A1 - Schutzpanzerung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schutzpanzerung von mehrdirektionaler Struktur.

Genauer gesagt betrifft die Erfindung eine neuartige Ausführung von Sohutzpanzerungen,Absohirmungen oder Schutzschilden, die zum Schütze von Personen bestimmt sind und diese insbesondere vor der Einwirkung von Geschossen wie Gewehrkugeln oder Inerten oder explodierenden Granaten Insbesondere in der Form von Hohlladungen, vor den von solchen Geschossen selbst oder den davon getroffenen Gegenständen ausgehenden Splittern vor Exploslonskörpern, wie Granaten, Minen oder Torpedos oder vor Bruchstücken von unter Druck stehenden Apparaten und Gefäßen schützen sollen. Weiterhin ist die Erfindung befaßt mit dem Schutz von Material und Personen vor den mechanischen und physikalischen Einwirkungen von Explosionen pyroteohniechen oder nuklearen Ursprungs wie Gasdruck, Schockwellen, Röntgen- oder Gammastrahlung, Neutronenfluß u. dgl.

Eine bekannte Methode zur Erzielung eines solchen Schutzes besteht in der Verwendung eines Schildes aus einem dichten Material, das eine hohe Festigkeit aufweist wie beispielsweise massiver Stahl. Dieser Fall liegt beispielsweise vor bei den Panzerplatten, wie sie als Schutzeinrichtungen bei Panzerfahrzeugen, Kriegsschiffen und festen Bunkern üblich sind. Solche Schutzpanzerungen rein passiver Art widersetzen sich dem Eindringen von Geschossen dank ihrer großen trägen Masse und nehmen deren kinetische Energie im wesentlichen durch plastische Verformung auf.

Die Wirksamkeit dieser Art von Schutzpanzerung hängt von ihrer Dicke ab. Diese muß umso größer sein, je schwerer das aufzuhaltende Oesohoß ist und je größer dessen Geschwindigkeit ist. Die härtesten heute bekannten Anforderungen in dieser Hinsicht ergeben sich in Verbindung mit den Metallstrahlen, die von Hohlladungsgeschossen ausgehen, wobei deren Geschwindigkeit 10 000 m pro Sekunde erreichen kann, sowie In Verbindung mit Inertgeschossen des sogenannten kinetischen Typs oder Pfeilen, deren Geschwindigkeit 2000 m pro Sekunde erreichen kann.

So ist beispielsweise bekannt, daß moderne Panzerabwehrgeschosse mit Hohlladungen von einem Durchmesser von 105 nun in der Lage sind eine Schutzpanzerung aus massivem Stahl von 60 cm Dioke zu durchschlagen. Um einen Kampfwagen gegen diese Art von Abwehrwaffen wirksam zu sohützen, müßte er mit einer solchen trägen Masse an Schutζpanzerung ausgerüstet werden,daß er sich nicht mehr zu bewegen vermöchte.

Es sind daher bereits verschiedene Lösungen vorgeschlagen worden, wie die Wirksamkeit von Schutzpanzerungen vergrößert werden könnte, ohne daß deren Masse und Abmessungen mit einem Transport durch das zu schützende Fahrzeug unvereinbare Werte erreichen.

Für Schutzpanzerungen« die einen Schutz vor den wirksamsten Geschossen wie den modernen Fanzerabwehrwaffen bieten sollen, 1st bereits vorgetragen worden, die Masse der Panzerung In eine Mehrzahl von einander überlagerten und von einander unabhängigen Blättern aufzuteilen, wobei in ein und derselben Panzerung mehrere verschiedene Metalle wie beispielsweise Stahl und Ielohte Legierungen kombiniert sind und zwischen die metallischen Blätter eine oder mehrere Substanzen eingefügt werden, die wie beispielsweise Keramik oder Kunststoff andere physikalische und mechanische Eigenschaften aufweisen als das Metall.

Im Falle von Sehutzsohilden, die speziell zum Abhalten von Inertgeschossen relativ kleinen Kalibers wie Gewehroder Pistolenkugeln, Schrapnellen oder verschiedenen Splittern bestimmt sind, ist es weiter grundsätzlich bekannt, ein zusammengesetztes Material von gesohiohteter Form mit mehreren übereinander angeordneten Gewebeschichten auf der Basis natürlicher oder synthetischer Fasern von hoher Festigkeit zu verwenden, wobei diese Gewebeschichten mit einem thermisch härtbaren Harz imprägniert sind und dadurch zusammengehalten werden. Die Wirksamkeit dieser Schilde beruht auf ihrer Fähigkeit zur Aufnahme von kinetischer Energie der Geschosse duroh eine Verschiebung ihres Sohiohtenaufbaus in einer ausgedehnten Zone rund um die Aufschlagstelle des jeweiligen Geschosses. Manche Ausführungen solcher Schutzschilde sind an ihrer Oberfläche mit Platten aus dichtem Keramikmaterial wie gesintertem Aluminiumoxyd versehen, welche die Spitze des auftreffenden Geschosses abstumpfen oder ggf. abbrechen und auf diese Welse die Durchschlagkraft des Geschosses vermindern sollen. Derartige Sohutzsohilde werden beispielsweise zum Schutzeder Piloten von Flugzeugen oder Hubschraubern eingesetzt.

Sie sind dann ggf. in den Sitz in der Pilotenkanzel integriert.

Weiter ist eine andere Art von Schutzschild bekannt, die zum individuellen Schutz von Personen bestimmt ist und meist als kugelsichere Weste bezeichnet wird. Ein derartiger Schutzschild muß hinreichend leicht und nachgiebig sein, um die Bewegungen seines Trägers nicht zu behindern. Eines der neuesten und wirksamsten Modelle eines solchen Schutzschildes besteht im wesentlichen aus einem sehr dichten und kompakten Gewebe von dreldirektlonaler Struktur, das ausgehend von Textilfasern sehr hoher Festigkeit gefertigt 1st. Dieses Gewebe wird normalerweise ohne irgendwelche Imprägnierung verwendet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schutzpanzerung zu schaffen, die sowohl einen Schutz von festen Anlagen oder von Fahrzeugen gegen Argriffe aller Art und Insbesondere gegen panzerbrechende Waffen als auch einen individuellen Schutz gegen leichte Waffen und verschiedene Splitterwirkungen zu bieten vermag.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch eine Sohutζpanzerung, die sich kennzeichnet durch einen wenigsten teilweisen Aufbau aus einer mehrdirektionalen Struktur, die aus starren und im wesentlichen geradlinigen Elementen besteht, die entlang wenigstens dreier verschiedener Richtungen ausgerichtet sind und einander in regelmäßiger Weise kreuzen, wobei die Richtungen der Elemente nicht alle parallel zu ein und derselben Ebene verlaufen und Winkel zwischen 30 und 90° miteinander einschließen.

Unter regelmäßigem Kreuzen ist in diesem Sinne eine relativ regelmäßige Anordnung der Elemente einer Orientierung im Raum und eine relativ regelmäßige Verteilung der Elemente verschiedener Orientierung in der Struktur zu verstehen.

Verzugsweise ist die Struktur kompakt ausgebildet, das heißt, daß das Verhältnis zwischen dem von den Elementen selbst erfüllten Volumen einerseits und dem scheinbaren Volumen der Struktur andererseits so groß ist, wie dies für die Elemente der gegebenen Form, Abmessungen und Orientierung möglich 1st.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die mehrdirektlonale Struktur durch starre und geradlinige Elemente gebildet, die entlang vier verschiedener Richtungen orientiert sind.

Die Elemente der Struktur können einen Querschnitt von beliebiger Form aufweisen, bevorzugt ist jedoch eine kreisförmige oder polygonale Querschnittsform.

Der Durchmesser des Querschnitts der Elemente oder der Durohmesser des diesem Querschnitt umschriebenen Kreises kann je nach dem für die jeweilige Schutzpanzerung vorgesehenen Einsatzzweck und je nach der Art des ihre Elemente bildenden Materials variieren. Im Regelfall wird dieser Durchmesser aber zwischen einigen Zehntel Millimetern und mehreren Zentimetern, beispielsweise zwischen etwa 0,5 mm und etwa 5 cm liegen.

Die einzelnen Elemente der Struktur können hinsiohtlich ihrer Länge, ihrer Form und ihrer Abmessungen Insbesondere in Querschnittsrichtung konstant oder variabel gestaltet sein.

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Insbesondere können die Elemente die Form von Stangen oder Stäben aus Vollmaterial aufweisen.

Es 1st jedoch auch möglich, rohrfSrmige Elemente zu verwenden, deren Innenraum entweder leer oder* mit einem anderen Material und ggf. einem aktiven Material gefüllt sein kann. Unter aktivem Material ist in diesem Zusammenhang ein Material zu verstehen, das entweder wie ein Explosivstoff aus sich selbst heraus oder in Verbindung mit einer anderen Substanz, die entweder einen Bestandteil der Sohutzpanxerung bilden oder auch aus einem darauf auftreffenden Geschoß stammen kann, zu heftiger Reaktion in der Lage ist. Mögliche Kombinationen sind beispielsweise die Paare Ammonium-Magnesium-Nitrat oder Stickstoff-Titan-Peroxyd.

Das die Elemente der Struktur bildende Material wird in Abhängigkeit vom Einsatzzweck der Schutzpanzerung gewählt. Es kann sich dabei um ein Metall wie Stahl, Wolfram od. dgl., um ein Keramikmaterial, um Glas, um Holz, um einen Kunststoff, um ein zusanunengesetztes Material, um ein im Sinne der obigen Definition aktives Material od. dgl. handeln.

Für die Herstellung der Schutzpanzerung kann die Struktur als solche verwendet werden. Der Zusammenhalt der Struktur wird djuin durch ihre Befestigung auf einem Träger in Form einer Platte oder eines Blattes gewährleistet, wobei die Enden der Elemente die Oberfläche der Struktur im Anschluß an diesen Träger definieren, oder durch die Verbindung der Elemente unter sich auf der Höhe ihrer Überkreuzungsstellen. Eine derartige Verbindung kann mit Hilfe eines Klebstoffs beispielsweise durch Eintauchen der Struktur in ein polymer!-

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sierbares Harz, Herausnehmen der Struktur und Abtropfen vor der Polymerisation des Harzes erzeugt werden.

Die Struktur kann weiter mit einem Füllstoff oder einer Matrix kombiniert werden, die den Zwischenraum zwischen den Elementen der Struktur ausfüllt. Ein derartiger Füllstoff kann beispielsweise ein Metall, ein Keramikmaterial, Glas, Zement, ein Kunststoff oder ein Kautschukmaterial, ein zusammengesetztes Material oder ein aktives Material sein.

Weiter können in ein und derselben Schutzpanzerung unterschiedliche Materialien für die Herstellung der Elemente der Struktur und der etwaigen Matrix verwendet werden, wobei die Elemente der Struktur in den verschiedenen Teilen der Panzerung unterschiedliche Formen und Abmessungen aufweisen können. Diese Variationen in Material, Form und Abmessungen können von einer Seite der Panzerung zur anderen gleichförmig oder auch nicht gleichförmig erfolgen. Ebenso kann die Panzerung aus mehreren Schichten bestehen, die unterschiedliche Struktur aufweisen.

Gegebenenfalls können in ein und derselben Panzerung auch Schichten mit einer mehrdlrektionalen Struktur im Sinne der Erfindung und in anderer Weise ausgebildete Schichten wie beispielsweise massive Panzerplatten üblicher Art abwechselnd miteinander vorgesehen sein.

Wie bereits oben erwähnt, ist bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die raehrdirektionale Struktur; welche die Basis der Panzerung bildet, durch die regelmäßige und kompakte Kreuzung von vier Bündeln von entlang vier verschiedener Richtungen Im Raum ausgerichteter geradliniger

ORIGINAL INSPECTED

Elemente aufgebaut. Für diese Elemente kann eine gegenseitige Anordnung gewählt werden, die Identisch 1st mit der der Elemente, welche die Verstärkungsstruktur In einem zusammengesetzten Material bilden, wie es in der FR-PS 2 276 916 beschrieben ist. Eine derartige Struktur wird im allgemeinen als 4D-Struktur bezeichnet.

In einer solchen 4D-Struktur, die sich im Gleichgewicht befindet, entsprechen die vier Elementrichtungen den vier großen Diagonalen eines Würfele, so daß jede dieser vier Richtungen mit jeder der drei anderen einen Winkel von 70,5° einschließt.

Eine derartige Bevorzugung einer 4D-Struktur darf jedoch nioht als Ausschluß anderer Strukturen betrachtet werden. Die mehrdirektlonale Struktur aus starren Elementen, welche die Basis der Panzerung bildet, kann auch-έΐηβ Struktur sein, die nur drei Bündel von Elementen enthält, wie eine solche unter der Bezeichnung 3D-Struktur bekannt ist, sie kann aber auch mehr als vier Bündel von Elementen umfassen, wie dies in der DE-OS 2 917 3>β2 oder in der FR-PS 2 427 198 beschrieben 1st, oder sie kann eine Struktur sein, die aus der 4D-Struktur durch einenzunehmende Krümmung der Orientierung der Elemente abgeleitet ist, wie dies in der FR-PS 2 421 056 beschrieben ist. In jedem Falle wird die Struktur durch ein regelmäßiges Uberkreuzen von starren und im wesentlichen geradlinigen Elementen gebildet.

Die nachstehend angegebenen Beispiele dienen der in keiner Welse einschränkenden Illustration verschiedener möglicher Ausführungsformen für eine Schutzpanzerung gemäß der Erfindung.

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Bei der Beschreibung dieser Ausführungsbeispiele wird bezug genommen auf die Zeichnung, deren Fig. 1 bis 3 eine Ausführungsform für eine mehrdirektlonale Struktur für eine Schutzpanzerung gemäß der Erfindung und zwei Anordnungen dieser Struktur zu Versuohszweoken wiedergeben.

Beispiel 1

Die Panzerung wird aufgebaut mit Hilfe einer ins Gleichgewicht gebrachten to-Struktur 10, wie sie in Pig. I veranschaulicht ist. Diese Struktur 10 wird durch Stäbe 1, 2, 3, gebildet, die parallel zu den vier großen Diagonalen eines Würfels ausgerichtet sind. Dabei schließen die unterschiedlich ausgerichteten Stäbe jeweils einen Winkel von 70,5° miteinander ein.

Die dargestellte Struktur 10 ist kompakt ausgebildet und besteht aus Metallstäben mit einem kreisförmigen Querschnitt von 2 mm Durohmesser aus Stub-Stahl. Sie hat eine volumetrische Masse von 5300 kg/nr. Diese Struktur wird als solche, das heißt ohne Matrix, einem Perforationsversuch mit einer Hohlladung unterzogen, um ihre Wirksamkeit gegenüber einer herkömmlichen Schutzpanzerung aus massivem Stahl mit einer volumetrischen Masse von 78ΟΟ kg/nr abzuschätzen.

Der Perforatlonsversuch besteht darin, daß die zu prüfende Panzerung einem zu ihrer Oberfläche senkrechten Angriff durch eine Hohlladung vom Kaliber 62 mm ausgesetzt wird, deren Stirnseite 12,4 cm von der Oberfläche der Sohutzpanzerung entfernt angeordnet 1st. Unter diesen Bedingungen wird massiver Stahl bis zu einer Tiefe von ^O cm durchbohrt.

Für diesen Versuch wurde die 4D~Struktur 10, deren Dicke nur 5 om betrug, gemäß der Darstellung in Fig. 2 vor einem

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Stahlblock 20 angeordnet, der zur Messung der für den Fall einer vollständigen Perforation der Struktur 10 verbleibenden Strahlenergie der Hohlladung 21 bestimmt war. Die Aue richtung der Struktur war so, daß die Richtung von zwei der vier Bündel aus Metallstäben parallel zu der der Hohlladung 21 ausgesetzten Oberfläche verlief, während die Richtung der beiden anderen Stabbündel mit dieser Oberfläche einen Winkel von 54.75° einschloß.

Nach dem Abschießen der Hohlladung 21 war die 4D-Struktur vollständig durchbohrt, und der massive Stahlblock 20 wies einen Einschuß bis zu 23,5 cm Tiefe auf. Dieses Ergebnis zeigt, daß 5 cm der Schutzpanzerung mit der 4D-Struktur 10 die gleiche Wirkung haben wie 16,5 cm aus massivem Stahl, daß also diese Schutzpanzerung einen dioken Gewinn von 70 % gegenüber massivem Stahl zur Folge hat und dank ihrer geringeren volumetrisohen Masse einen Gewinn an Oberflächenmasse 79 fl bedeutet. Unter Oberflächenmasse einer Schutzpanzerung ist in diesem Zusammenhang das Verhältnis zwischen der volumetrischen Masse der Schutzpanzerung und ihrer Dicke zu verstehen, was gleichbedeutend ist mit der je Oberflächeneinheit für den Schutz aufzuwendender Masse an Schutzpanzerung.

Beispiel 2

Eine ins Gleichgewicht gebrachte und kompakte 4D-Struktur wurde mit Hilfe von Stäben von kreisförmigem Querschnitt mit 8 mm Durchmesser aus weichem Stahl hergestellt. Sie hatte eine volumetrische Masse von 5000 kg/nr. Diese Struktur wurde in ein flüssiges Epoxyharz eingetaucht, das anschließend zu einer Matrix auspolymerisiert wurde, so daß sich eine kombinierte Schutzpanzerung mit einer volumetrisehen Masse von

5650 kg/nr ergab. Ein Block dieses Materials wurde einem Perforationsversuch mit einer Hohlladung vom Kaliber 62 mm unterzogen.

Bei diesem VersuchWar die Orientierung in der Struktur 10 so, daß alle vier Stabbündel den gleichen Winkel in bezug auf die Oberfläche des Blocks aufwiesen, also alle Bündelrichtungen mit dieser Oberfläche (Fig.3) einen Winkel von 35*25° einschlossen.

Unter diesen Bedingungen ergab das kombinierte Sohutzpanzerungsmaterial einen Gewinn von 18 % an Oberflächenmasse gegenüber massivem Stahl.

Beispiel 3

Eine Ins Gleichgewicht gebrachte und kompakte 4D-Struktur wurde mit Hilfe von Stäben mit einem kreisförmigen Querschnitt von 7 mm Durohmesser aus Wolfram hergestellt. Nach der Einführung einer Matrix aus Epoxyharz hatte dieses zusammengesetzte Schutzpanzerungsmaterial eine volumetrische Masse von 13400 kg/nr.

Ein Block aus diesem Material wurde einem Perforatlonsversuoh mit einer Hohlladung vom Kaliber 62 mm unterzogen. Bei diesem Versuch wurde die Struktur In der gleichen Weise angeordnet wie der Block im Beispiel 2.

Unter diesen Bedingungen ergab die Sohutzpanzerung einen Gewinn von 42 % an hinsichtlich der Dicke im Vergleich zu Massivem Stahl, die Oberflächenmasse war jedoch wegen der größeren volumetrlschen Masse dieser Schutzpanzerung gleich der von Stahl.

Beispiel 4

Eine ins Gleichgewicht gebrachte und kompakte 4D-Struktur wurde mit Hilfe von Stäben mit kreisförmigem Querschnitt von 7 mm Durchmessern aus Glas hergestellt. Nach Einführung einer Matrix aus Epoxyharz hatte das zusammengesetzte Schutzpanzerungsmaterial eine volumetrische Masse von 2000 kg/nr.

An diesem Material wurden zwei Perforationsversuche mit einer Hohlladung vom Kaliber 62 mm durchgeführt.

Beim ersten Versuch hatte die Struktur eine solche Anordnung, wie sie für den Block von Beispiel 1 beschrieben worden ist.

Unter diesen Bedingungen ergab die Panzerung gegenüber massivem Stahl einen Gewinn von 78 % an Oberflächenmasse, wegen ihrer sehr viel geringeren volumetrischen Masse betrug der Gewinn an Dicke jedoch nur 13 %·

Im zweiten Versuoh wurde die Struktur in der gleichen Weise angeordnet wie der Blook im Beispiel 2.

Unter diesen Bedingungen betrug der Gewinn an Oberfläehenmasse 78 i* und der Gewinn an Dicke 13 % wie bei dem ersten Versuch.

Beispiel 5

Für ein insbesondere zum Schütze gegen bei einer Kernexplosion auftretende Röntgen-Strahlung bestimmtes Material wurde eine 4D-Struktur aus einem zusammengesetzten Kohlenstoffmaterial mit einer volumetrischen Masse von 2000 kg/nr her-

gestellt, wobei von gezogenen Stäben mit 1 mm Durohmesser aus duroh Imprägnierung und Karbonisierung verdichtetem gepreßtem Teerpech ausgegangen wurde. Dieses zusammengesetzte Material wurde sehr heftigen Schockwellen ausgesetzt, die durch ein Explosionsmaterial erzeugt wurden, und gleichzeitig wurde die Einwirkung eines Röntgenstrahlungsblitzes auf dieses Material simuliert. Das Material zeigte eine außergewöhnliche Beständigkeit im Vergleich zu anderen für diesen Zweck vorgesehenen Materialien.

Beispiel 6

Für den Schutz von Personen gegen Geschosse und Splitter wurde eine mehrdirektlonale Struktur mit η verschiedenen Richtungen (nD-Struktur), und zwar vorzugsweise eine 4D-Struktur oder eine 6D-Struktur verwendet, wie sie in Fig. 6 der FR-PS 2 424 888 dargestellt 1st. Diese Struktur läßt sich mit Stäben von einem Durohmesser von 1 mm oder weniger herstellen, die aus einem eindirektionalen Material als Kern in einer Matrix aus einem Epoxyharz oder einem Elastomeren bestehen. Diese Struktur kann mit einem Überzug aus Keramik kombiniert werden.

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Claims (11)

1. Ansprüche

   Schutzpanzerung gegen insbesondere Geschosse und die mechanischen und physikalischen Einwirkungen einer Explosion, gekennzeichnet durch einen wenigstens teilweisen Aufbau aus einer aehrdlrektionalen Struktur, die aus starren und Im wesentlichen geradlinigen Elementen besteht, die entlang wenigstens dreier verschiedener Richtungen ausgerichtet sindfund einander in regelmäßiger Weise kreuzen, wobei die Richtungen der Elemente nicht alle parallel zu ein und derselben Ebene verlaufen und Winkel zwischen 30 und 90° miteinander einschließen.
2. 2. Schutzpanzerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur kompakt ausgebildet ist.
3. 3. Sohutzpanzerung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sienente der Struktur entlang von vier verschiedenen Richtungen orientiert sind.
4. 4. Schutzpanzerung nach Anspruch J, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente der Struktur entlang zu den großen Diagonalen eines Würfels paralleler Richtungen orientiert sind.
5. 5. Schutzpanzerung nach einem der Ansprüche 1 bis k, daduroh gekennzeichnet, daß die Zwischenräume zwischen den Elementen der Struktur von einer Matrix ausgefüllt sind.

   96-(Hll685 oas 152)-DfF
6. 6. Schutzpanzerung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente der Struktur einen kreisförmigen oder polygonalen Querschnitt aufweisen.
7. 7. Sohutzpanzerung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente der Struktur einen Querschnitt aufweisen, der einen Kreis mit einem Durchmesser zwischen 0,5 mm und 5 cm zum Umkreis hat.
8. 8. Schutzpanzerung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,daß die Elemente der Struktur zumindest zum Teil rohrförmig ausgebildet sind.
9. 9. Schutzpanzerung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Ihnenraum der rohrförmigen Elemente der Struktur mit einem von ihrem Material verschiedenen Material gefüllt ist.
10. 10. Sohutzpanzerung nach Anspruch 9* dadurch gekennzeichnet, daß das Material im Ihnenraum der rohrförmigen Elemente der Struktur ein aktives Material ist.
11. 11. Schutzpanzerung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ihr Aufbau mehrere verschiedene Schichten umfaßt, von denen wenigstens eine eine mehrdirektionale Struktur aufweist.