两栖装甲车关键技术研究现状及发展趋势分析

周世琪，郭保全，朱家萱，樊宇伟，闫江

(1.中北大学 机电工程学院，山西 太原 030051；2.中北大学 智能武器研究院，山西 太原 030051)

两栖作战的重要武器系统包括两栖攻击舰、两栖登陆舰、两栖运载舰、两栖装甲车等。其中两栖装甲车是进行海上登陆作战的重要武器装备,包括两栖突击车、两栖指挥车、两栖战车和两栖救护车等,在进行两栖登陆作战、近海作战时都发挥着重要作用。随着全球经济发展,陆地资源逐渐匮乏,各国将资源的竞争重心转到海上,各军事强国也在争相发展各自的两栖装甲车以应对海洋挑战。

笔者通过总结近些年来国内外两栖装甲车的最新研究进展,对其关键技术做出总结,并对未来的发展趋势进行展望,从轻量化、制导化、智能化等多个方向结合领域内的高新技术进行探讨,以望对我国两栖装甲车的未来发展方向提供参考。

1 国内外研究现状

1.1 美国研究现状

1972年,美国的AAV-7型两栖突击车(原名LVTP-7)最初列装部队[1],这是一种履带式两栖装甲车,淘汰了原先的LVTP5A1及其变型车。如今正在服役的两栖突击车(AAV-7A1)为LVTP-7的改进,预计AAV-7A1该型号战车将会服役到2025年。2020年中旬,在加州圣克莱门特岛沿岸海域,美国海军陆战队已制式化的AAV-7A1由于进水发生“沉车”事故,造成多人伤亡,使人对美军两栖战车的安全性提出质疑。

自1988年起,美国开展了远征战车(EFV)[2]计划,这是一种更为先进的新型两栖攻击车。远征战车采用类似冲浪板的结构,高速行驶时各部位滑板打开,两侧滑板覆盖履带以防止产生过大的阻力,从而达到46 km/h的海上速度。同时,拥有着3倍AAV-7A1海上航速的远征战车也有着许多的不足,比如,质量相当于两栖突击车的1.5倍,体积也更大,使得每艘两栖突击舰可承载量变少;最重要的是EFV薄弱的防御能力,甚至不如一辆轻坦,采用的铝合金、陶瓷复合装甲,具有一定的可燃性,受到打击会危及乘员安全;加之无法接受的成本,继而在历时九年并花费150亿美元后美国取消了远征战车计划。但这辆史上最昂贵的两栖战车(单价2 000万美元)仍然是“超地平线装备”,被其他国家作为未来两栖战车的雏形。

为了替换现役的AAV型两栖突击车,美国海军陆战队于2015年与BAE系统公司和国际科学应用公司达成合作,研发一种新型高技术两栖战车(ACV)[3]。ACV是一种轮式两栖战车,与EFV相比,ACV对一些高技术性能指标做出了适当下调,以换取更低的成本;但相比AAV而言,ACV又有着近乎两倍的水上速度,更加强力的复合装甲,各项指标都有所上升。ACV作为一种简化版的远征战车,从另一种程度上可以看作是EFV项目的复活[4]。

1.2 韩国研究现状

在韩国,三星公司花高价引入了美国AAV-7A1的生产线,对其进行改装生产了一种变型车,如KAAV-Ⅰ两栖突击车[5],安装了更加先进的遥控武器站,但总体指标与AAV-7A1没有太大区别。2019年,韩国首尔国际航空宇宙及防卫产业展上,亮相了KAAV-Ⅱ型两栖战车。总体设计上来讲,KAAV-Ⅱ型两栖战车与美国远征战车几乎一样,可乘坐3名车组人员,20名士兵,采用CTA国际公司提供的无人炮塔,安装一门40毫米埋头弹机关炮,质量更轻,炮塔尺寸也大幅缩小。不过水上速度只有EFV的一半不到,仅20 km/h。可见即便是模仿EFV,也只能做个大概,无法复现到EFV那么强大。

1.3 日本研究现状

日本自卫队也在为所谓的“离岛作战计划”进行采购与研发[6]。2016年,日本采购了美国的AAV-7A1型两栖突击车,拥有着同美国海军陆战队相同的配置。由于该型号的过时,日本在引进的基础上进行自主研发新型履带式两栖装甲车,随后这项任务交付给了日本三菱重工。日本三菱重工正在研发的三菱两栖战车(MAV)是一种日本远征战车,非常类似失败了的美国远征战车,无论推进方式还是滑板类型,都与美国远征战车如出一辙。在海上高速机动模式,车首的弓形滑板向前撑开,履带通过液压控制略微回收,侧下方滑板外翻,盖住履带下端,以避免海面对履带产生巨大阻力,尾部的横梁滑板放下,撑起车尾,通过喷水推进器,该车可以达到37 km/h的水上速度。海上过渡模式时,各个滑板收起,阻力急剧上升,同时缩减发动机马力,其航速迅速下降到19 km/h左右,以用于更安全平稳的登陆。日本远征战车也较为注重防护性能,采用了侧板装甲和反应装甲,底部安装了V形附加装甲,防御性能大为提升。

1.4 俄罗斯研究现状

美国、日本、韩国都在研制新型两栖战车,俄罗斯也不例外。现役的BTR-80AM、BMP-3F、BTR-80,无论是速度还是其他各项指标都难以与其他发达国家的两栖战车相比,于是在俄罗斯鄂木斯克运输机器制造厂开发出了一种新的高速两栖装甲战车族概念,即海军两栖步兵战车(BMMP)[7],该车采用了一系列的新设备和新技术。

受美国远征战车的启发,该车在水中靠喷水推进器推动,同样使用滑水车体,以实现高速与远程水上航行能力。水上滑行最高航速可达37 km/h,两栖滑行机构与美国远征战车类似。BMMP的基础车体与增强装甲的BMD- 4M的车体地盘相似,是一个质量约35 t的通用底盘系列车型,车上可乘坐3名乘员,10名步兵。为获得更高的性能,BMMP将安装战备功率高达1 102.5～1 837.5 kW的燃气轮机,将功率传输给两个喷水推进器。相较而言,BMMP拥有着较强的防御能力,采用铝合金、聚合合成装甲,可以在正面防御300 m射程上的30 mm口径弹,侧面防御100 m射程上的12.7 mm机枪弹,履带能抗高达6 kg的地雷爆炸。

即使BMMP拥有着更高的性能,但鉴于国防经费局限,新技术的不成熟性,该车只能作为俄罗斯对未来几年的两栖战车的设想逐渐实现,BTR-80依旧是俄军的两栖主力。

1.5 国内研究现状

我国自2005年开始服役的履带式两栖战车ZBD- 05式拥有着全世界现役两栖战车最快的速度,水上全速可达40 km/h,是美国AAV的3倍,性能指标接近下马的EFV。采用滑板+水翼减阻技术,搭配新型的1 200 kW大功率发动机,以及可以自由收缩负重轮,收放履带的悬挂系统,使其在水中的阻力大大减小,加之滑板尾翼,做到水上滑行[8]。在2015年俄罗斯国际军事比赛的“里海赛马”项目和2018年我国东海举行的海上登陆比赛中[9],ZBD- 05式两栖战车大为出彩,取得各国的好评,俄罗斯也是借鉴我国的两栖战车及美国远征战车,作为本国的两栖战车方向。

我国的05式两栖战车家族包括ZBD- 05式两栖战车、ZTD- 05式两栖突击车,以及两栖装甲指挥车、两栖装甲输送车、两栖装甲补给车等。ZBD- 05式两栖战车装备有技术成熟的武器系统,105 mm坦克炮源自引进英国L7型线膛坦克炮的技术,30 mm机关炮借鉴苏联的2A72火炮技术,经过多次性能的改进,已经实现系列化。

2 两栖装甲车水上作战关键技术研究

两栖装甲车是以水上性能为主,陆上性能为辅,强调在两栖地带使用,主要用于海上登陆作战。其水上快速性是一个重要指标,所以如何做到减阻增速便成为了一个极其重要的技术要求。

2.1 水上减阻技术

水上减阻技术是高速两栖车辆的核心技术。两栖车辆随着速度的提升会出现严重的“埋首”现象,即出现工程上所谓的“阻力墙”和“速度极限”,导致阻力急剧增大,限制了速度的进一步提高[10]。

两栖装甲车在水上行驶时最主要的航行阻力是水阻力,水阻力可以分为摩擦阻力、兴波阻力和形状阻力。两栖装甲车要想拥有更快的水上速度,就不得不克服减阻技术这个难题。高速行驶的两栖装甲车,摩擦阻力相对占比较小,需更多的关注兴波阻力与形状阻力。

鉴于两栖装甲车的车型不能更好地达到流线型车体,故水会对车体会造成极大的形状阻力,这也成为了两栖装甲车在水上速度提高的最大限制。近年来随着各国两栖装甲车的研究发展,以美国的EFV两栖战车为代表使用的高航速滑行技术可以有效地减小形状阻力,依靠水产生的升力而不是浮力支撑两栖装甲车,通过各部位滑板撑开,将EFV底部变成一个大型水上冲浪板,实现水上滑行。虽然EFV项目并没有实施下去,但是滑行技术给日、韩等国做出了参考,我国的ZBD- 05式采用的“滑行+水翼”减阻技术也借鉴了此技术。

两栖装甲车在水上航行会产生波浪从而改变车体周围的压力分布,形成兴波阻力,随着水上航速的提高,受到的兴波阻力也会相应增大。兴波阻力需要由发动机提供的动力去克服,所以使用更大功率的发动机也会利于航速的提高,但一味地增加发动机功率也难以实现,还是需要从多方面优化以减小阻力,提高航速。

近年来也衍生出了一些减阻增速的新技术,如:仿生叶轮技术[11]、动力气垫技术[12]、地效翼技术[13]等。仿生叶轮技术依靠仿生叶轮与水的高速作用产生向上托举力和向前的推进力,将两栖车体托举出水面,进入高速滑行状态,从而避开“阻力墙”现象,达到减阻的目的。动力气垫技术利用动力装置产生的螺旋桨滑流或喷气流引入船身下部空间,产生支承质量的动力气垫,将船身大部分抬离水面,从而大大减少水动阻力。地效翼技术是在动力气垫基础上增加机翼,使车体进一步与水面分离,甚至完全离开水面,进入飞行状态,成为真正的地效飞行器。利用水上减阻新技术,有望研制出更高性能的超高速两栖车辆,进一步提高我国两栖实力。

2.2 推进技术

要保持车辆在水上能以一定速度航行,必须提供能克服阻力的推力。推力靠能源产生,并通过一定的装置才能实现,这类装置叫做推进器。两栖车辆是把车辆本身与推进器两者的结构特点结合起来,将车辆的推进划分为:履带式推进装置[14]、轮胎推进装置[15]、螺旋桨推进装置[16]、喷水推进装置[17]。

以往的美国两栖车辆,曾广泛使用履带式推进装置,由于履带式推进装置的单位拖桩推力较小,不能进一步提高车辆速度,故后期逐渐改用了喷水推进装置。轮胎推进装置依靠轮胎的回转来推进车辆,结构简单,不需要专门的水上推进和传动机构,但只能获得不大的运动速度,限制了两栖车辆的速度提升。螺旋桨推进装置具有工作可靠、推进效率高的突出优点,是两栖车辆广泛使用的一种推进装置。由于螺旋桨推进装置安装在车体后方,陆地浅滩行驶或者受到攻击容易损坏,故近年来各国逐渐采用喷水推进器作为推进装置[18]。

如今各国现役的两栖装甲车以及对未来两栖装甲车的发展方向大多使用喷水推进器,喷水推进器可以提供车辆更快的水上速度,能确保车辆具有较好的机动性,且对水面状态的敏感性很小,有利于车辆在浅滩中行驶。喷水推进器由输水管道、推进器装置(推进泵)和换向装置组成,其中换向装置可以实现倒车和转向。喷水推进技术是一种高安全性、高可靠性的推进技术,具有更高的推进性能,更有利于两栖装甲车速度的提高,相比之下,喷水推进技术更适合未来在两栖车辆上的使用。

2.3 车轮收放技术

研究表明,车轮在水中产生很大的涡流损失,其在水中的阻力约占总阻力的25%,所以对于高速两栖装甲车的设计,如何将车轮所形成的阻力减小到最小,是两栖车辆研究的关键问题之一[19]。

车轮收放技术是指车辆在水中航行时,将车轮收至密封底板以上,从而减小阻力,登陆时,再将车轮放下来,进行陆上行驶[20]。现有的车轮收放技术有两种,一种是垂直升降车轮,另一种是翻转式车轮,两种都是通过对悬架导向机构进行改进,从而达到收放车轮的目的。

液压系统也是车轮收放装置的重要组成之一,主要靠液压缸活塞杆的伸缩来控制车轮的收放。如某两栖装甲车在入水后,悬挂系统把行动装置抬升至车体底部以上,车前部滑行板通过液压驱动方式降低以覆盖整个车体前底部和行动前部,底部滑行板向两边展开覆盖履带,车体后部安装的滑行板也降至车底并锁定在工作状态。履带和行动装置都被盖住,大大降低了附加阻力,减小了能量损失,提高了流动效率[21]。

3 发展趋势及展望

未来战争是智能化战争,既比拼武器装备,更比拼算法。战场上拥有最优算法即拥有“制智权”[22],在“观察-调整-决策-行动”环节抢占优势,掌握战场主动权。有了人工智能的参与,未来的武器装备也将更远距、更快速、更细小[23]。现今的两栖装甲车仍需不断改革创新以应对未来战争,轻量化、智能化、制导化、集成装甲及快速机动是未来两栖装甲车的发展趋势。

3.1 轻量化

两栖装甲车整车质量直接关系到排水体积,相同外形尺寸的车辆,质量越大吃水深度越大,阻力也就越大。因此为了提高高速两栖装甲车的水上航速,在两栖装甲车整车轻量化上需要做出大量工作。无论是水上滑行技术还是水翼技术都是在减小两栖装甲车的吃水线,减小阻力,提高航速[24]。

两栖装甲车轻量化也会提高每艘两栖攻击舰的容量。两栖攻击舰作为一种集坞式登陆舰,运载更轻的两栖装甲车可以实现更大规模的两栖装甲车群登陆作战。

轻量化材料、优化设计和制造技术是轻量化的3个重要环节[25]。采用密度更小、强度更大的材料会大大降低两栖装甲车的质量,是实现轻量化最直接的途径。对车辆内部构造设计进行优化,装甲钢板连接采用更先进的技术,避免接缝脆化、应力变化、表面孔缝等问题也会对实现两栖装甲车轻量化更为有利。通过采用效率更高的发动机、集成度更高的武器装备系统、有效的主/被动防护系统、减少乘员等措施,是实现两栖装甲车的轻量化以适应远距离快速投送和现代战争战略战役机动的需要。

3.2 智能化

随着第四次工业革命的到来,人工智能、机器人技术、虚拟现实、大数据、量子信息技术等为代表的新兴数字技术飞速发展,遍及到各个领域,逐渐改变着人们的生活。直接关系到各国实力的武器装备领域也必须与时代接轨,智能化是世界大多数武器装备的发展方向[26]。

智能化是未来两栖装甲车的发展方向。两栖装甲车性能关系到登陆作战任务的成功与否,拥有智能化的指挥系统[27]、监测系统会提供更加及时准确的命令指示,减少任务执行的失误率。拥有信息化的瞄准装置,在装甲车内可以通过雷达、红外热成像、可见光观瞄具观察到视野内及遮蔽物后的敌方目标,了解敌我位置、数量等相关信息,赢得先机。

人工智能技术同样可以应用于两栖作战上,通过战场环境感知进而搜索环境中的攻击目标,继而提取目标特征,对目标进行识别分类,通过对目标的类型、数量、所处位置的距离等因素进行威胁评估,并自动挑选武器弹种进行自适应打击,作出毁伤评估。一系列的操作都不需要人为干预,指挥员只需要进行决策是否进行打击即可,这样可以减少两栖装甲车上的乘员人数,缩小车内空间,继而进一步减小装甲车体积,减轻质量,实现两栖装甲车的轻量化。

从另一个层面上讲,当人工智能发展到一定程度上时,无人化也将会成为两栖装甲车的一种发展形态。无人两栖装甲车可以做到更小更快,在某些作战任务的执行中能发挥其特殊作用。

3.3 制导化

随着科学技术的不断发展进步,以及战场环境的日益复杂化,常规火炮的性能已不能满足现代智能化战争对精度和射程的要求,两栖装甲车所搭载的常规制式火炮也需要相应地跟随时代向制导化发展。其中,制导炮弹[28]是可应用于两栖装甲车的一大方向。

近些年来,各国大力发展制导技术,将制导技术应用于坦克中实现特种装备的精确打击,并已获得很大成果。两栖装甲车作为可在水上参与战斗的坦克,应用制导技术执行任务也有其必要性。相对无人智能化来讲,制导技术已经很成熟,可以应用在各类火炮中进行发射。两栖装甲车的主炮一般为大口径火炮,除了常规炮弹、破甲弹、杀爆弹外,也需要发射制导炮弹,如:炮射导弹、防空导弹、反坦克导弹等,以增大攻击距离,朝着精确攻击、超远程打击方向发展。

未来两栖装甲车应该将远战与近战相结合,制导武器与非制导武器相结合,形成拥有综合火力单元的前卫战斗平台,以应对未来复杂的战斗环境。

3.4 集成装甲

防护是武器系统生存能力中最基础、最关键的组成部分。防护系统在以坦克为代表的装甲车辆中,起着保证车辆及乘员安全的作用,具有重要的地位。任何一项现代武器装备都离不开防护,两栖装甲车的装甲防护是其在未来战场生存的基础,需要受到重视。在未来战争中,由于各种高新技术的产生发展,反装甲武器及多种形式的攻击趋于高效化,对武器装甲形成了全方位、立体的攻击。因此必须提高两栖装甲车装甲综合防护能力,对反坦克武器形成足够的防护,将生存力转化为战斗力。

过往的被动式装甲防护以增加装甲的质量和厚度为代价,提升防护能力,但是对于两栖装甲车来讲,过重的装甲使得机动能力大大降低,且如今反坦克武器的杀伤能力已然超过现有装甲的防护能力,得不偿失。为满足未来战争的防护需求,需要将主动防护作为两栖装甲车的主要防护手段。主动防护系统的核心技术是主动防护技术,是指在受到敌方弹药来袭之前,提前发现来袭目标,采取紧急措施,消除威胁或者减小毁伤的防护技术。

主动防护系统[29]相对被动防护系统而言,质量更轻,可以使两栖装甲车的机动性显著提高,采用的模块化设计可以根据战场态势和战术要求改变质量,质量可以进一步降低;拥有着更强的防护能力,主动出击的防御方式,使自身免受打击;防护范围更广,可以实现360°全方位防护,使得两栖装甲车的生存能力大幅提高。

随着日新月异的装甲防护技术不断发展,新的防护材料、防护理念和手段也应运而生,例如:陶瓷基复合装甲材料、树脂基复合装甲材料、钛合金装甲材料,智能装甲、电磁装甲、灵巧装甲等[30],未来的装甲系统不再是静止被动的活靶子,而是能动、主动的防护系统,未来的两栖装甲车将会采用多种高新技术,朝着集成化的方向发展。

3.5 快速机动

数年来两栖装甲车的更新迭代,快速性一直是两栖车辆的重要性能指标[31],其可以决定克服某一水障碍所需的航行时间,快速性越好的车辆,越过水障碍所需的航行时间越短。水上航行速度是许多国家对两栖装甲车升级的主要需求。40～50 km/h的水上航行速度是目前最快的两栖装甲车性能指标,能否进一步增强也是是否进一步研究两栖装甲车的关键。

大多数两栖车辆的发动机功率根据陆上行驶最高速度决定,水上航行速度主要跟水阻力和推进功率有关,由发动机、推进器和车体外形所决定,所以未来两栖装甲车想要拥有更高的快速机动性能,必须从这三方面入手。

近年来,各个国家研究的推进技术、滑行技术、减阻技术等有效地改进了两栖装甲车的机动性,但仍有些不足。还需通过对两栖装甲车进行轻量化设计,改进智能化武器装备,从而减轻质量、减小阻力,进而提高水上航行速度,突出战略和火力机动性。采用主动防护技术,全面提升两栖装甲车性能,以适应未来复杂多变的战场环境。

4 结束语

两栖装甲车是进行海陆两栖作战的重要武器装备之一,敌前登陆、背水攻坚带来的高难度、高损耗和高风险也是其他作战无可比拟的。为了适应未来智能化战争的要求,提出了两栖装甲车轻量化、智能化、制导化等发展趋势。轻量化是未来武器的必然发展趋势,两栖装甲车的轻量化可以减小阻力,节省能源,进一步提高航速;智能化的两栖装甲车,可以进行实时指挥、敌情监测,在战争中取得先机;制导化的两栖装甲车可以做到精准打击、超远程打击,提高了战斗能力;主被动防护装甲集成的两栖装甲车,大大提高了其生存能力;快速性往往是研究两栖装甲车的关键,灵活机动的两栖装甲车可以做到出其不意,攻其不备,提高战后奇袭的成功率。

笔者基于两栖装甲车的研究现状,阐述了关键技术,分析了未来发展趋势,对两栖装甲车的发展有一定参考意义。