军机防护装甲的设计研究

黄 颖，余志明，许小妹，林 雷，江 鹏，宋林林，金媛媛

（航空工业洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

现代战争中，空中力量在决定战争胜负中起着越来越重要的作用，空军除了需首先夺取战场制空权外，还担负着大量的对地攻击任务[1]。随着地面防空力量的不断增强，执行对地攻击的军机面临着越来越严重的地面火力威胁，因此作战飞机特别是对地攻击飞机的设计必须考虑在战场上的高生存能力，并普遍使用防护装甲技术，以提高机体抗弹能力，在完成作战任务的同时保证飞行员的生命安全。

军机使用防护装甲必然会占用一定的机体空间，造成飞机重量增加，进而影响军机的作战性能，故在选择合适的防护等级情况下，选取先进的防弹材料、恰当的防护部位和合理的防护结构是飞机防护能力设计的关键要素。

1 国外军机防护装甲运用实例

美国的AH-64“阿帕奇”专用武装直升机是当今世界上技术最先进，火力最强，具有高生存力的武装直升机[2]。在座舱周围及弹射座椅上采用了大量的碳化硼陶瓷/芳纶、氧化铝陶瓷/玻璃纤维复合材料轻质装甲，飞机旋翼为玻璃纤维复合材料多梁和玻璃纤维/Nomex蜂窝夹层的后段结构，具有高的抗弹损伤性能。图1所示为AH-64武装直升机的主要防护部位和相应的防护材料。

AH-IJ/T/W/S武装直升机如图2所示，该机具有较高的战场生存力，在座椅及座舱周围大量使用了碳化硼/芳纶、氧化铝/玻璃钢轻质复合材料装甲。同时在传动系统的关键位置装有碳化钨轴承套，使桨叶系统具有抗23mm炮弹的能力。

图1 AH-64武装直升机主要防护部位及防弹材料

图2 AH-IJ/T/W/S武装直升机

美国UH-60武装直升机在设计中也重点强调战场生存力，其旋翼系统具有对7.62mm枪弹的抵抗力，在受23mm高爆弹打击后仍能具有一定的续航力，并在座椅和飞机的关键部位采用了B4C陶瓷和Kevlar高性能纤维复合材料复合装甲，如图3所示。

图3 UH-60直升机机身装甲配置图

如图4所示，A-10攻击机(雷电)是美军的主要攻击机。A-10座舱周围的防弹装甲板呈盒形，机身腹部也有大量装甲。A-10有两个自封式机身油箱和两个半封严机翼整体箱，油箱内均填充有网状泡沫材料。座舱周围的装甲厚度为38mm，机身腹部的装甲厚度为50mm，装甲材料为钛合金(有报道说是钛合金/玻璃钢复合材料)。

图4 A-10攻击机

意大利C-27J货运飞机大量配置防弹装甲，配置装甲的部位有雷达、墙上装甲板，飞行甲板，飞行员与副驾驶座椅，液氧瓶，气态氧气瓶与负载主站等，如图5所示。

图5意大利C-27J军用运输机及装甲配置

2 防弹材料

二战后期第一、二代军机开始出现防护装甲，材料均为高强度钢或钛合金的重装甲，该类金属防护装甲较重，对飞机性能影响较大。60年代后期开始出现轻质高性能装甲，三代机后期和四代机普遍采用减重效果更加明显的新型轻质复合装甲，如陶瓷/轻金属、陶瓷/复合材料、纯纤维复合材料等。

1）金属板防弹材料

金属板防弹材料是一种传统的防弹装甲设备，包括防弹钢板、防弹铝合金以及钛合金。金属板防弹材料强度高、韧性好，当遇到高速冲击侵蚀时，金属板防弹材料具有较高塑性变形能力且形变均匀，既能吸收高速子弹的动能，又可以避免材料的塑性变形局部集中而引起的开裂。

我国应用较多的是Cr-Ni系高强度钢，如12MnCrNi合金钢为船舶用防弹钢板，高强度合金钢F-3防弹钢板作为飞机防弹板（我国某型机）。目前研究应用的铝合金主要有7000系列（Al-Zn系列）、5000系列（Al-Mg系列）和2000系列（Al-Cu系列）。美国阿莱格尼技术公司研究开发的新型高强度钛合金ATI425用于加工防弹装甲板。

但金属防弹材料质量大，势必会影响武器装备的战术性能发挥。

2）陶瓷板防弹材料

陶瓷板防弹材料是上世纪70年代继传统金属板防弹材料后，发展起来的新型防弹材料。陶瓷板材料具有极高的强硬度、弹性模量和相对金属较低的密度，化学稳定性良好，耐高温、耐冲蚀和耐磨损，能在减轻装甲质量的基础上很好地抵御高速穿甲弹的侵蚀。

目前，应用较为广泛的有B4C和Al2O3陶瓷。B4C硬度最高，且密度最低，一向被认为是较理想的装甲陶瓷，虽然其价格昂贵，但在保证性能的条件下，以减重为首要前提的装甲系统中，B4C陶瓷仍有较多应用；Al2O3抗弹能力略低，密度较大，但具有烧结性能好，工艺成熟，制品尺寸稳定，生产成本低且原料丰富等优点，因而得到广泛的使用；防弹性能介于B4C和Al2O3陶瓷之间的是SiC陶瓷，其硬度、弹性模量较高，密度居中，但由于工艺技术等的不完善，SiC陶瓷的发展受到限制，其性能对比见表1。

表1陶瓷材料性能对比

陶瓷板材的断裂韧性低、常温下热膨胀系数小、对加工工艺要求较高和抗多发弹打击能力差等缺点，故不能单独承受冲击时的弯曲载荷，较大的弯曲强度将使陶瓷表面呈现拉伸破坏，因此均质陶瓷材料还不能单独用于防弹装甲的制造，必须有背板作为刚性支撑底板才能发挥陶瓷优越的抗弹性能。

3）高性能纤维复合防弹材料

高性能纤维复合板防弹材料是采用一种或多种高性能纤维织物或铺层，在一定的工艺条件下与树脂基体复合而制得的具有一定防弹性能的材料。高性能纤维具有优异的物理化学性能，如低密度、高比强度和比模量、适当的断裂伸长率和良好的耐腐蚀性等。用高性能纤维复合板材制成的防弹制品不仅质量轻、柔韧性好，而且可设计性强、成型工艺简单。

目前广泛使用的高性能纤维主要有玻璃纤维、碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维等，这些纤维与一种或多种树脂基体复合可以制成性能很好的防弹产品，其性能对比见表2。

表2纤维材料性能对比

4）组合防弹材料

组合防弹材料各组分在性能上相互取长补短，产生协同效应，可使其综合性能相对于单一均质材料大大提高。将陶瓷板材料作为高性能纤维复合防弹材料的抗冲击前板，代替笨重的合金材料应用在防弹装甲上；在玻璃钢中间夹入增韧聚丙烯制备的复合板材，其防弹效果比单一板材或以其他顺序组合的复合板材更加优越；在烧结合金颗粒的钢板基体上覆盖混合均匀的塑料粉末，然后通过模压成型获得金属塑料组合材料，既具有金属材料的力学性能，又具有较好的阻尼减振性能，且使用寿命较长。

如图6所示为直升机超轻型防弹装甲的经典结构，以陶瓷为面板，纤维复合材料为背板，中间用胶粘剂粘结，陶瓷表面覆盖一层尼龙止裂层[3]。

图6超轻型防弹装甲结构示意图

3 防护等级及防护部位的选择

防护等级越高、防护部位越大，势必造成飞机结构重量的大幅度增加，故应根据飞机的防弹性能要求、作战环境、飞机自身结构特点等分析出合理的防护等级及防护部位。

3.1 防护等级标准

目前国内尚未正式制定军机防弹装甲的防弹性能要求和弹道试验的相关标准，一般参照美军标（MIL-PRF-46103E）设计。该标准中的防弹等级按弹径及速度分为以下4大类：

1）I类 5.56mm：

1级：M855初速度为945m/s的钢尖铅弹。

2）II类 7.62mm：

1级：初速度为869m/s的铅芯或软碳钢芯弹；

2级：初速度为869m/s的硬碳钢芯穿甲弹（AP）；

3级：初速度为1219m/s的高密度芯脱壳发射穿甲弹（SLAP）。

3）Ⅲ类 12.7mm：

1A级：1000米射距（487m/s）的软钢芯弹；

1B级：500米射距（610m/s）的软钢芯弹；

1C级：初速度为869m/s的软钢芯弹；

2A级：1000米射距（487m/s）的硬钢芯穿甲弹（AP）；

2B级：500米射距（610m/s）的硬钢芯穿甲弹（AP）；

2C级：初速度为869m/s的硬钢芯穿甲弹（AP）；

3C级：初速度为1219m/s的高密度芯脱壳发射穿甲弹（SLAP）。

4）Ⅳ类 14.5mm：

1级：初速度为991m/s的硬钢芯穿甲燃烧弹（API）B32；

2级：初速度为991m/s的硬钢芯穿甲燃烧弹（API）BS-41。

3.2 国内外飞机防护等级的选择

A-10攻击机具有突出的战场生存力，其优先考虑防弹生存力问题而非性能问题。全机能抵抗23mm弹的攻击，抗弹能力为F-16战斗机的10倍，防护能力达到了较高的极限。因此仅座舱和机身的装甲重量就达到550Kg[3]。

美军AH-64“阿帕奇”武装直升机的防弹要求是，机身下半球任何部位被一发12.7mmAPM2弹（高射机枪穿甲燃烧弹）或机身95%表面任何部位被一发23mmHEIT弹（高炮高爆弹头）击中后，飞行员不致丧失操纵能力，仍可继续飞行30分钟。

美军的AH1-J“眼镜蛇”武装直升机的燃油系统、传动系统、桨叶系统可抗23mm航炮打击，UH-60“黑鹰”三军通用型运输直升机旋翼系统具有对7.62mm枪弹的抵抗力，在受23mm炮弹打击后仍具有一定的续航能力。

我国某型强击机因设计时间较早，其防弹能力较低。九十年代进行的防弹性能检测表明：8mm厚的F-3防弹钢板用五四式12.7mm普通弹设计试验，其临界击穿速度≤305m/s。4mm厚的F-3防弹钢板的防弹性能更不理想，远低于国外相关指标。

3.3 防护部位的选择

防护装甲的首要目的是保护飞行员的生命安全，一般情况下飞行员所在的部位—座舱，被视为最重要的防弹部位；其次为中弹后直接影响飞行员安全的部位，如油箱、弹药舱、发动机等；再次为中弹后影响飞机安全的部位，如关键电子成件、液压油管、操纵机构等。

图7某型攻击机的座舱防护方案

如图7所示，某型攻击机的座舱防护方案，其座舱地板及前端框，飞机两侧部分区域（飞行员身体部位）加装防护装甲，飞行座椅也可采用防弹座椅，飞行员使用防弹服及头盔等。油箱内填充防火泡沫材料及冲入氮气，保证飞机中弹时不会燃烧爆炸。尾部在发动机腹部增加防弹装甲，保证中弹后飞机有动力安全返航。

4 防护结构形式

防护装甲的结构形式一般分为一体式和可拆卸式（模块化）。一体式防护装甲将防弹装甲作为结构承力的一部分，可以达到减重的目的，故可将座椅、各种成件外壳等可更换的防护结构按一体式来设计。但该防护结构出现损坏时，修理较困难。如某直升机的座椅由B4C陶瓷面板、碳纤维复合材料中间层、PE作为背板的组合结构，在结构承力的同时起到防弹的作用。

可拆卸式防护装甲为机体内挂装防护装甲，防护装甲在损坏时可以直接更换，模块化设计后只需更换受损模块即可；日常非战斗任务时，可以将防护装甲取下，降低飞行训练成本。但该防护结构会占用不小的机体内部空间，且需布置可拆卸的连接结构。

5 结语

防护装甲决定了飞机特别是近距空中支援飞机的战场生存能力，而防护装甲较大的重量影响了飞机作战性能，在满足飞机战场生存能力条件下，防护装甲减重是其设计的核心。本文通过对装甲材料发展情况、防护部位、防护等级、防护结构形式进行分析研究，得出以下防护装甲设计建议：

1）选择防护装甲材料时，在性能上相互取长补短，产生协同效应的轻质高性能复合防弹材料是较优的选择；

2）根据飞机自身结构设计特点等，按对飞行员威胁程度分析出合理的防护部位区域，减少不必要的装甲；

3）对执行低空攻击任务最严重和最常见的是12.7mm口径高射机枪穿甲燃烧弹，为平衡重量和性能，现今大多数飞机均选择Ⅲ类2B级（12.7mm AP,V50≤610m/s）的防护等级；

4）一体式防护结构与可拆卸式防护结构相比较，一体式防护结构作为结构承力的一部分来设计可以降低重量；可拆卸式防护结构，模块化设计，易于维护修理，可以降低飞行训练成本。