坦克装甲车辆装甲防护发展研究

2014-01-11房凌晖郑翔玉汪伦根

兵器装备工程学报 2014年2期

房凌晖，郑翔玉，马丽，汪伦根

(1.解放军陆军军官学院，合肥 230031;2.合肥市公安消防支队，合肥 230061)

装甲防护是坦克装甲车辆在战场上生存的基础。现代战争中，坦克装甲车辆面临着敌方坦克炮、反坦克导弹、肩扛式反坦克武器、反坦克手榴弹、简易爆炸装置、电磁武器、高功率微波武器等各种反装甲武器全方位的立体攻击，对坦克装甲车的防护能力提出了更高要求。因此，加强装甲防护成为各国研究的热点，各种新兴装甲防护材料和装甲防护技术不断涌现［1］。

1 装甲防护材料发展

1.1 钢装甲材料

钢装甲材料有均质装甲钢、高硬度装甲钢、双硬度装甲钢等。从二战至今，均质装甲钢是被广泛采用的装甲材料，它是通过轧制相应化学成分的钢锭使其成形，并将钢板加热至820 ～860℃淬火硬化，再经过400 ～650℃回火处理制成，使其具有均匀微结构并达到合适的韧度和刚性。布氏硬度值超过430 的均质装甲钢称为高硬度装甲钢，制造方法与均质装甲钢类似，但回火温度稍低。双硬度装甲钢是将两块不同的钢板轧合在一起制造而成，与单一硬度的材料不同，双硬度装甲钢具有不同的硬度值，其中一面硬度高，另一面硬度较低。双硬度装甲钢的弹道性能数据如阻挡枪弹所要求的装甲厚度和面积密度等均优于高硬度装甲钢和均质装甲钢，但因其制造工艺复杂、成本高，应用受到限制。

目前，虽然不断有新型装甲材料出现，但装甲钢在抗弹和结构应用方面仍有较强优势，各国对于性能先进的高强度、高硬度装甲钢的研究一直在进行。美国陆军研究实验室和瑞典SSAB Oxelosund AB 公司对布氏硬度477 ～534 的高硬度装甲钢、布氏硬度600 以上的超高硬度装甲钢、面板布氏硬度601 ～712 和背板布氏硬度461 ～534 的双硬度装甲钢进行了研究，瑞典生产的ARMOX 600T 的布氏硬度为600，ARMOX ADVANCE 布氏硬度超过650。德国IBD 戴森罗特公司研制了新型高硬度装甲钢，其与ARMOX500Z 高硬度装甲钢对比试验表明，抵御B32 型7.62 ×54 穿甲弹的攻击，采用新型高硬度装甲钢板的厚度只有采用ARMOX500Z 钢板厚度的70%［2-3］。

1.2 铝合金装甲材料

铝合金装甲的应用始于上世纪中叶，使用范围涵盖装甲输送车、步兵战车、轻型坦克和中型坦克。在同等防护水平下，与钢装甲相比，铝合金装甲可减重20%左右，采用铝合金装甲可以使整车重量大大降低。20 世纪50 年代，美国研制了5083 和5046(Al-Mg-Mn)合金装甲板，英国研制D54S(Al-Mg)合金装甲板。M113 装甲输送车的车体采用了5083 材料冷轧制造，可以防止各种榴弹破片对车内人员和设备的杀伤，由于此类材料不能热处理强化，抵御小口径弹丸直接冲击的效果差，难以满足防护需求。

20 世纪60 年代，美国研制了可热处理强化的7039(Al-Zn-Mg)合金，7039 合金可以通过轧制、锻造、挤压等方式制造装甲板，英国研制了中等强度、耐腐蚀的可焊铝合金7020，高强度可焊铝合金7017 以及可焊50 mm 以上厚度的7018。对7.62 mm 和14.5 mm 穿甲弹而言，7039 铝合金的法线角防护性能优于均质钢装甲，7017 的硬度比7039 稍大，但韧度稍差。美国“布雷德利”步兵战车的首上甲板采用7039 制成，英国“武士”步兵战车采用了7017 材料，此类材料通过热处理强化可获得良好的力学和抗弹性能，但有一定的应力腐蚀开裂敏感性，不适合于易腐蚀环境使用。

为解决铝合金抗弹性能和抗应力腐蚀性，美国研制了2519-T87 铝合金，前苏联研制了含Sc 的01975 铝合金，其中2519-T87 既具有与7039-T64 相当或更高的抗弹性能，也具有5083-H151 优良的焊接性和抗应力腐蚀性。而美国最新研制的2139T8 和2195T8P4，相比于前述铝合金装甲材料，具有更加优异的力学和抗弹性能［4-6］。

1.3 钛合金装甲材料

钛合金是性能优异的装甲防护材料，韧度比铝合金好，其密度是装甲钢的60%，但强度与装甲钢相当，钛合金装甲的防护性能比同等重量的均质钢装甲优越30% ～40%，由于其成本高于同等防护性能钢装甲约10 ～20 倍，因此钛合金在坦克装甲车上没有得到广泛应用。钛合金目前主要用于舱盖部件、附加顶装甲、炮塔座圈、车长舱盖、发动机顶盖等。美国对铝合金薄装甲技术以及钛合金低成本制造技术进行了研究，并用X 射线CT 拓扑技术研究了Ti-6Al-4V 装甲终点破坏情况。此外，美国和欧洲研究了Ti-6Al-1. 8Fe-0.1Si，德国、奥地利研究了TiAl，澳大利亚研究了Ti-6Al-4V、Ti-8Al-1Mo-1V 等合金的性能情况［7］。

1.4 陶瓷装甲材料

陶瓷材料硬度和抗压强度高，能防护高速穿甲弹的侵蚀，其密度小，约为均质装甲钢的25% ～50%，有利于减轻装甲质量。陶瓷材料耐热性好，有利于抵御高温射流的侵蚀。陶瓷材料也存在塑性差、断裂强度低、成型尺寸小等缺点，因此不能作为均质装甲单独使用，通常与金属材料、树脂基复合材料等构成复合装甲。

装甲陶瓷材料主要有氧化铝、碳化硅、碳化硼、硼化钛、氮化硅等。其中碳化硼(B4C)的密度最低，硬度最高，是理想的轻型装甲陶瓷材料，但价格昂贵。氧化铝(Al2O3)抗弹性能略低，但烧结性能好、制品尺寸稳定、表面粗糙度低、价格便宜，被广泛应用。碳化硅(SiC)密度比氧化铝小，硬度较高，硼化钛(TiB2)密度较大，硬度高，可防大口径弹的侵彻，是较理想的重型装甲材料，可用于战车的装甲面板。

当前，陶瓷装甲材料研究的重点是提高其韧性并降低生产成本，美国采用微波烧结技术提高生产效率，大幅降低了生产成本，并实现了碳化硅和硼化钛陶瓷材料的规模化生产。为提高抗弹性能，美国计划发展全致密碳化硅、氧化铝、硼化钛和碳化硼等单质陶瓷材料、陶瓷基复合材料以及透明陶瓷材料［8］。

1.5 树脂基复合装甲材料

树脂基复合装甲材料由叠层基质粘合加强纤维组成，由基质提供连续相位将荷载传递给更坚硬的纤维，采用的纤维有E 玻璃纤维、S 玻璃纤维和芳纶纤维(Kevlar29、Kevlar49、Kevlar129、Kevlar KM2)等。树脂基复合装甲材料主要利用纤维的拉长塑性变形和断裂来吸收侵彻弹丸能量，从而实现抗弹功能。

树脂基复合材料具有良好的防腐、绝热、隔音和隐身性能，在相同抗弹能力前提下提高了结构性能，减轻了车体重量。树脂基复合材料可以防止装甲背面崩落毁伤乘员和设备，从而避免因采用附加的车体内衬引起的附加重量。目前，一些国家正在研究用树脂基复合材料作为车体结构材料，包括美国的先进复合装甲车(CAV)平台以及英国的先进复合材料装甲车辆平台(ACAVP)计划等［9］。

2 装甲防护技术发展

2.1 爆炸反应装甲

爆炸反应装甲通常以附加或披挂的方式使用，其基本结构类似于“三明治”即在一层钝感炸药的两侧各放置一块钢板(面板和背板)，当破甲射流击穿面板后，装药被引爆，暴轰波将面板和背板向相反的方向推出，面板和背板在飞行过程中对侵彻体起到干扰和破坏作用，使侵彻体减少或丧失继续侵彻能力，降低对主装甲的毁伤［10］。

以色列、俄罗斯等国在爆炸反应装甲研究领域处于领先。以色列自1982 年首次在主战坦克上安装反应装甲以来，已开发了五代产品，拉斐尔公司研制的新型爆炸反应装甲已安装在M113 装甲输送车、美国“布雷德利”步兵战车及新型防地雷反伏击车上。俄罗斯研制的“接触-5”爆炸反应装甲可使坦克对穿甲弹防护能力提高20% ～40%，能抵御M829A1 贫铀穿甲弹的攻击，目前已安装在T-72、T-80、T-90等主战坦克上。

随着装甲车辆防护技术的进步，各国对爆炸反应装甲的研究也呈现新的特点，主要体现在利用外挂爆炸反应装甲的壳体材料和形状实现车辆的隐身功能;改进结构，保持与已爆炸反应装甲相邻单元的完好状态，提高反应装甲的抗损毁能力;利用传感器和微处理器控制技术研制主动反应装甲，实现精准确定爆炸反应块和爆炸时机，以更有效的方式拦截来袭弹药。

2.2 复合装甲

复合装甲是一种多层结构的组合装甲，组成材料为金属、陶瓷、纤维等，其各层材料、厚度、连接方式、细微结构和形状的不同可得到不同的防护效果，这种类型装甲的防护性能明显优于普通均质装甲［11-13］。

最早的复合装甲出现在前苏联的T-64A 上，它是一种夹层结构，T-64A 车体首上装甲由80 mm 钢板、105 mm 玻璃纤维和20 mm 钢板组成，防护高速动能弹和破甲弹的能力分别相当于375 mm 和450 mm 均质钢装甲。T-80BV 车体复合装甲采用三层结构，140 mm 高碳钢板、80 mm 陶瓷柱夹层、20 mm 增强纤维构成了第一层，120 mm 高碳钢板、80 mm 陶瓷柱夹层、20 mm 增强纤维是第二层，50 mm 高碳钢板、80 mm陶瓷柱夹层、20 mm 增强纤维为第三层，试验证明44 倍口径的RH-120 和M256 型火炮均无法将其击穿。而T-72BM、T-80U、T-90 主战坦克采用了5 层钢板与含玻璃纤维的夹布胶木板交替叠加的复合装甲，T-80U 防护穿甲弹/破甲弹的能力相当于550 mm 和720 mm 均质钢装甲，T-90 防护穿甲弹/破甲弹的能力相当于570 mm 和900 mm 均质钢装甲。

英国的“乔巴姆”复合装甲能有效防护破甲弹、碎甲弹和钨弹芯脱壳动能弹，防护穿甲弹的能力是均质钢装甲的3倍。“乔巴姆”复合装甲是将不同特性的材料综合在一起形成防多种弹药的能力，通过吸热化学材料结合陶瓷复合材料抵御破甲弹，通过易变形的材料支撑钢材料以提供减振能力，达到防碎甲弹的效果。目前，“挑战者”系列、M1、“豹”2等主战坦克都采用了这种复合装甲。

美国利用核废料研制的贫铀复合装甲防护穿甲弹/破甲弹的能力相当于600 mm 和1 300 mm 均质钢装甲，并将其用于M1A1HA 坦克，为坦克提供了强大防护能力。

2.3 格栅装甲

格栅装甲是为防止RPG-7 火箭筒发射的火箭弹聚能装药引爆而研制的一种安装在装甲车体外部的非常规装甲。其防护原理:火箭弹前端的压电式触发引信通过一个双层前锥体与聚能装药底部的引爆器相连，当前锥体一侧击中格栅装甲侧缘而受到挤压后，内外锥体相碰造成引信短路，从而阻止聚能装药引爆。阿富汗战争时期，苏军在部分T-62 主战坦克上安装了条形格栅装甲，伊拉克战争后，条形格栅装甲开始大规模应用。条形装甲易于安装，其钢条厚6 mm，宽50 mm，间距为64 mm，面密度约50 kg/m2。美国“斯特赖克”装甲车、英国“弯刀”轻型侦察车、俄罗斯BMP-2 步兵战车和BTR-80 装甲输送车等先后安装了条形格栅装甲。

为减轻装甲车战斗全重，满足装甲轻量化需求，各国不断研制新型格栅装甲。BAE 系统公司研制了长杆型装甲，用高强度铝合金杆代替钢条，面密度比条形装甲减少了50%，该型装甲已安装在美国“野牛”扫雷车上。瑞典鲁阿格公司研制的LASSO 线网装甲是采用4 mm 高强度钢丝组成的菱形网，面密度约为15 ～20 kg/m2，丹麦将其安装于M113 装甲输送车上。美国福斯特-米勒公司研制的PRGNet 线网装甲采用Kevlar 纤维制造，利用由方形金属构件制成的线网节点将线网固定成合适的结构，其面密度为10 kg/m2，该装甲已安装在法国VBCI 步兵战车上。Amsafe 公司和英国国防部联合研制的“塔兰”装甲由覆有合成纤维织布网的面板组成，用于挤碎击中装甲网的榴弹头，其面密度为5 kg/m2，“塔兰”装甲已安装到英国的重型运输车和装甲输送车上［14］。

2.4 电磁装甲

电磁装甲是一种依靠储存的电磁能使来袭射弹失去或降低侵彻能力，从而起到保护车辆和乘员作用的装置。电磁装甲可分为被动式和主动式。被动式电磁装甲是将两块有一定间隙距离的装甲板分别与高功率电容器的两极相连，当破甲弹爆炸的金属射流或穿甲弹芯穿过外板接近内板时，两板间绝缘层被击穿激发电容器放电从而形成强磁场，同时大电流通过射流或弹芯，由于受到洛伦兹力和欧姆加热效应的影响，在射流或弹芯中产生的磁流体动力效应导致射流或弹芯破碎，从而降低其侵彻能力［15-17］。

主动式电磁装甲立足于对来袭弹丸主动拦截，使其在一定距离内偏向或失去侵彻能力。首先通过探测装置对射弹的方位、速度、距离进行探测和定位，然后发射系统发射金属板或其他拦截物，使射弹提前爆炸或偏转。法-德圣路易斯研究所开展了线圈感应式主动电磁装甲研究，1986 年即首次完成了电磁发射防护板试验;1996 年完成了35 KV、400 KJ电容器的试验装置，电容器通过线圈放电40 μs，放电电流达50 KA;已获得8 项专利，完成了防破甲弹和保护顶装甲的栅格发射试验。近年来，该所对防护板的速度、方向和稳定性控制进行了重点研究。

美国陆军研究所最早开始研究磁场重接式主动电磁装甲，通过发射金属板拦截和破坏接近战车的动能弹丸。该所于1987 年使用多级磁场重接发射装置将150 g 铝板发射到1 000 m/s的速度，1992 年使用单级磁场重接发射装置将长15.2 cm、厚1.27 cm 的铜铍合金板发射出去，速度超过200 m/s，所发射金属板的质量、速度完全满足装甲防护的需要。目前，美国陆军研究所在优化发射装置结构、提高发射装置效率以及评估装置工作时电磁环境对人员和设备的影响等方面开展研究。

3 结束语

未来反装甲武器的技术和攻击能力将不断加强，单一被动装甲防护已难以适应战场环境和作战任务需求的发展，装甲防护也朝着多样化、综合化的方向发展演变。

1)坦克装甲车辆将集材料学、力学、电子学、信息学技术新成就，进行综合防护，实现不被发现、不被捕获、不被命中、不被击毁的防护目标。

2)被动装甲防护作为坦克装甲车辆最重要、最基本的防护形式不会改变。装甲材料继续向高硬度、高强度、高韧性、低密度、低成本方向发展，并通过新型材料的使用以及结构和配置的优化，实现装甲的强韧化、轻量化、多功能化、模块化、高效化，达到更高级别的防护水平。

3)主动防护技术逐步进入实用阶段，在装甲防护领域将发挥重要作用。现有的装甲防护技术大多是基于战车被击中而采取的被动防御技术，未来将更多地利用伪装技术、隐身技术、干扰技术、红外诱骗技术进行预先防护，降低坦克装甲车辆被发现和探测到得概率。若受到敌方反装甲武器攻击，则主动防护系统将对来袭目标进行攻击，避免被命中。

4)为不断提高坦克装甲车辆的战场生存力和作战能力，未来装甲防护系统必须具备抗多次打击的技术和能力。

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