爆炸反应装甲防攻顶技术研究

2023-05-12杨青山张建仁刘学柱冯雄波

弹箭与制导学报 2023年2期

杨青山，张建仁，刘学柱，冯雄波

(1 太原地区第三军事代表室，山西太原 030012；2 山西江阳化工有限公司军品研究所，山西太原 030041)

0 引言

在当前的局部战争和地区冲突中,作战环境和作战模式由过去的常规作战变为城市作战,在这种非对称作战环境下,坦克等装甲车辆顶部面临的危险日益严峻;同时,为了应对未来城市作战形势,许多国家将大量现役性能良好的老旧坦克改装为步兵战车和输送车,并进行装甲防护改进,使其具有优异的防护性能。但是单兵便携反装甲武器的发展,对其构成严重危险,特别是车辆顶部的防护需求尤为突出,因此开发新型顶部防护装甲技术,提高战场防护力成为亟待解决的技术难题[1]。

1 国内外现状

1.1 国外发展现状

随着城市作战越来越广泛,步兵战车越来越受到各国部队的青睐,而诸如BMP类的轻型步兵战车在城市作战密集的火力下往往很难存活,重型步兵战车的装甲防护力研究也相继展开。如俄罗斯的T-14重型步兵战车,加装轧制钢板附加装甲和间隔装甲;英国的“阿贾克斯”重型步兵战车,附加各种复合装甲加强防护;以色列的“雌虎”重型步兵战车[2],加装爆炸式反应附加装甲和主动防御系统。此外,根据战时情况可设计为3种等级的防护力:A级防护是可空运型的,C级为战斗型,车体和炮塔安装高性能附加装甲模块,如德国的“美洲狮”;韩国的K-21[3],在装甲表面加装模块组合陶瓷复合装甲或加装层式间隙装甲,大幅提高防护力;美国的M2布拉德利步兵战车,安装了新型爆炸式反应装甲;俄乌战争中的俄军坦克装甲车辆,甚至安装了刚性格栅笼式顶置附加装甲[4]。为适应未来的战争形势,配合主战坦克的攻城略地,迫切需要发展新一代步兵战车,并提高其防护能力。

1.2 国内发展现状

自20世纪80年代初期开始从仿制到研制步兵战车和坦克的防护系统,同期开展研制爆炸反应装甲(explosive reactive arrmor, ERA),经过40多年的发展,与国外的技术水平差距逐渐缩小,在有些方面甚至处于国际领先水平。但是基于步兵战车作战用途及重量,其防护力都属于基础级防护力,顶部的防护技术更是有待进一步提高[5]。近年来借鉴外国经验,在已有坦克的基础上,研发新型重型步兵战车及输送车,既节约成本又缩短了研制周期,作战效能得到显著提升。

2 防护理论研究

ERA通常采用两块钢板中间夹一层炸药的结构,即“三明治”结构,其实质上是一种被动式的“化学爆炸反应装甲”。1984年Mayseless等[6]首先从理论上解释了ERA抗击射流的基本机理,提出“卵石干扰模型”;Held等[7]对不同条件下ERA干扰聚能射流的能力进行研究,结果表明:夹层炸药厚度、金属板的材料特性和厚度以及斜置角度等对射流干扰显著,而起爆位置对射流的干扰则不明显;吴成等[8]利用数值仿真对ERA飞板运动规律进行研究。以上研究使得人们对ERA的理论研究飞速发展并逐渐完善。近年来,随着双层ERA的出现,使得射流的毁伤效率大幅降低,Held[9]对带有单层或双层ERA夹层的前装甲、斜装甲和侧装甲系统抗击聚能射流的能力进行试验研究,得出ERA抗击聚能射流的能力与法向角度密切相关,且双层ERA较单层防护效果更好;黄正祥等[10]对双层ERA作用场进行分析和试验研究,发现装甲板斜置角度和双层楔形角对爆炸作用场有较大的影响,在一定范围内,使作用场作用时间提高了1.75倍;刘宏伟等[11]对双层装甲干扰射流影响因素进行分析,研究了双层反应装甲与主靶板间的距离、反应装甲组件间距离、双层反应装甲两层之间夹角等因素对射流的影响。

当破甲弹撞击到反应装甲表面时,破甲弹形成金属射流,反应装甲内部所装炸药被金属射流引爆,爆炸时所产生的爆轰产物以及面、背板的运动共同对金属射流产生强烈的干扰作用,向外飞出的金属板截断聚能射流弹道,依靠金属板的恒定作用使射流出现巨大波动,甚至射流中断,从而降低射流对主甲板的侵彻力,射流波动程度愈大,其散射范围就愈大,侵彻能力也就越低,从而大大降低射流对靶板的侵彻效果[12]。其作用原理如图1所示,其中vj为局部射流速度;vp为板的速度。

图1 爆炸反应装甲与破甲射流作用过程示意图Fig.1 Schematic diagram of interaction between explosive reactive armor and armor piercing jet

2.1 爆炸反应装甲引爆条件

ERA主要起防护作用的部分是内部的平板药室,因此其引爆条件取决于平板药室的引爆条件,需要保证在遭受轻武器射击或弹片撞击时装药层不被引爆,只有受到相当程度的冲击时才能被引爆,且具有足够的爆速,从而保证面、背板具有一定的运动速度,因此平板药室的引爆条件至关重要。

在二维加载的情况下,高能装药的起爆通常采用Held判据:I=u2d,其中u是开坑的速度;d是射弹或聚能装药射流的直径。根据贝努利方程[13]:

(1)

式中:v为弹丸或射流的速度;ρz为高能装药的密度;ρp为射流或弹芯的密度。

设Icr为装药的阀值常数,其值可以通过试验测得。则满足Held判据的Icr可表示为:

(2)

式中,vcr为引爆临界速度。

一般而言,100型标准破甲弹采用紫铜药型罩,且射流速度在6 800～7 000 m/s,由计算可以得出,I值远远大于Icr,完全能够保证平板药室可靠引爆。

2.2 匹配性选择

对于破甲射流,当射流侵彻点位于平板药室的上半部时,面板起主要作用,而当射流侵彻点位于平板药室的下半部时,背板起主要作用。为了使爆炸反应装甲单元的各部分具有较为均衡的抗弹效果,药室面板和背板的厚度应该相等[13]。

由于试验观察主要靠X射线照片,检测不到α角,只能测出射流受到影响后偏转的角度φ,这两个角的关系如图2所示。射流与板之间的作用看成完全非弹性碰撞,也就是说碰撞后有一个共同的速度矢量,则射流与板作用后发生的偏转角α为:

(3)

(4)

用SPSS16.0统计软件包对实验数据进行统计学分析，3组抗剪切强度比较采用卡方检验，两两比较采用LSD-t检验；ARI记分采用Kruskal-Wallis H检验。P<0.05为差异有统计学意义。

图2 面板造成射流偏转Fig.2 Panel causing jet deflection

假设偏转射流的轴向速度分量vt≈vj,可以得到:

(5)

对于射流,板厚h的变化,使k与vp发生变化,从式(3)、式(4)中可以看出偏转角α也将发生变化。板的运动速度vp可由Gurney公式来计算。对于面、背板等厚的爆炸反应装甲,Gurney公式为:

(6)

式中:E为Gurney速度平方的1/2,由所用装药确定;M为面、背板的质量和;ω为装药质量。

根据上述理论,重点研究了药室面、背板厚度配比。分别对面、背板厚度为1.5∶1.5及2∶2情况下做抗弹性能试验,结果表明,面、背板厚度均为2 mm、装药厚度取3 mm为较优方案。

2.3 材质选择

由反应装甲的理论研究可知对于硬度低的材料,当射流侵彻时为冲塞破坏,不容易产生对射流的干扰颗粒,所以效果较差。因此该组合爆炸反应装甲药室选用性价比较高的45号钢板。

2.4 尺寸选择

ERA对于射流的最大作用是对射流的有效部分全部进行干扰。所谓射流有效部分是指速度在极限破甲速度vcr以上的那部分射流,它对装甲有侵彻能力。设射流有效部分经过反应装甲的时间为t。同时从射流头部到达反应装甲,其平板药室面、背板以vp速度运动一段时间Δt,则有[14]:

(7)

当平板药室的长度太小时,一部分后续射流不能受到面、背板的作用,使其抗射流效果下降。当平板药室面、背板的长度过大时,板的一部分没有起作用,同时平板药室单元尺寸增大。装药爆轰波传到平板药室单元边缘的时间延长,面、背板开始运动的时间推迟,射流头部将有较多的射流没有受到板作用而通过ERA,增加了对主装甲板的侵彻,降低了其抗射流效果。

根据指标要求,该ERA的外形尺寸必须小于245 mm×245 mm×145 mm,依据有限的空间和双层药室同时发挥防护作用的工作机理,文中优选最大允许尺寸的平板药室,即200 mm×150 mm。

2.5 间隙选择

增大平板药室间的飞散间隙,既可以降低ERA的重量又可以提高平板药室的作用空间,进而满足ERA轻且优的性能特点。且依据该ERA的双层作用机理,为了保证反应装甲干扰100型标准破甲弹时具有两块平板药室作用,平板药室之间的间隙选用30 mm。

2.6 角度选择

倾斜破甲是“三明治”结构单元效应存在的必要条件。因此倾角大小对结构单元效应有着明显的影响。一般来说,随着倾角增大,结构单元防护效应增大[16]。为了增强ERA的防护性能,组合ERA采用多层平板药室连续作用方式,以保证每发来袭弹药具有两块平板药室进行干扰拦截。综合权衡平板药室防护的角度效应和安装空间的有限性要求,该ERA的平板药室选用角度为60°。