坦克裝甲車輛裝甲防護發(fā)展研究

房凌暉，鄭翔玉，馬 麗，汪倫根

(1.解放軍陸軍軍官學院，合肥 230031;2.合肥市公安消防支隊，合肥 230061)

裝甲防護是坦克裝甲車輛在戰(zhàn)場上生存的基礎?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭中，坦克裝甲車輛面臨著敵方坦克炮、反坦克導彈、肩扛式反坦克武器、反坦克手榴彈、簡易爆炸裝置、電磁武器、高功率微波武器等各種反裝甲武器全方位的立體攻擊，對坦克裝甲車的防護能力提出了更高要求。因此，加強裝甲防護成為各國研究的熱點，各種新興裝甲防護材料和裝甲防護技術不斷涌現(xiàn)［1］。

1 裝甲防護材料發(fā)展

1.1 鋼裝甲材料

鋼裝甲材料有均質(zhì)裝甲鋼、高硬度裝甲鋼、雙硬度裝甲鋼等。從二戰(zhàn)至今，均質(zhì)裝甲鋼是被廣泛采用的裝甲材料，它是通過軋制相應化學成分的鋼錠使其成形，并將鋼板加熱至820 ～860℃淬火硬化，再經(jīng)過400 ～650℃回火處理制成，使其具有均勻微結(jié)構(gòu)并達到合適的韌度和剛性。布氏硬度值超過430 的均質(zhì)裝甲鋼稱為高硬度裝甲鋼，制造方法與均質(zhì)裝甲鋼類似，但回火溫度稍低。雙硬度裝甲鋼是將兩塊不同的鋼板軋合在一起制造而成，與單一硬度的材料不同，雙硬度裝甲鋼具有不同的硬度值，其中一面硬度高，另一面硬度較低。雙硬度裝甲鋼的彈道性能數(shù)據(jù)如阻擋槍彈所要求的裝甲厚度和面積密度等均優(yōu)于高硬度裝甲鋼和均質(zhì)裝甲鋼，但因其制造工藝復雜、成本高，應用受到限制。

目前，雖然不斷有新型裝甲材料出現(xiàn)，但裝甲鋼在抗彈和結(jié)構(gòu)應用方面仍有較強優(yōu)勢，各國對于性能先進的高強度、高硬度裝甲鋼的研究一直在進行。美國陸軍研究實驗室和瑞典SSAB Oxelosund AB 公司對布氏硬度477 ～534 的高硬度裝甲鋼、布氏硬度600 以上的超高硬度裝甲鋼、面板布氏硬度601 ～712 和背板布氏硬度461 ～534 的雙硬度裝甲鋼進行了研究，瑞典生產(chǎn)的ARMOX 600T 的布氏硬度為600，ARMOX ADVANCE 布氏硬度超過650。德國IBD 戴森羅特公司研制了新型高硬度裝甲鋼，其與ARMOX500Z 高硬度裝甲鋼對比試驗表明，抵御B32 型7.62 ×54 穿甲彈的攻擊，采用新型高硬度裝甲鋼板的厚度只有采用ARMOX500Z 鋼板厚度的70%［2-3］。

1.2 鋁合金裝甲材料

鋁合金裝甲的應用始于上世紀中葉，使用范圍涵蓋裝甲輸送車、步兵戰(zhàn)車、輕型坦克和中型坦克。在同等防護水平下，與鋼裝甲相比，鋁合金裝甲可減重20%左右，采用鋁合金裝甲可以使整車重量大大降低。20 世紀50 年代，美國研制了5083 和5046(Al-Mg-Mn)合金裝甲板，英國研制D54S(Al-Mg)合金裝甲板。M113 裝甲輸送車的車體采用了5083 材料冷軋制造，可以防止各種榴彈破片對車內(nèi)人員和設備的殺傷，由于此類材料不能熱處理強化，抵御小口徑彈丸直接沖擊的效果差，難以滿足防護需求。

20 世紀60 年代，美國研制了可熱處理強化的7039(Al-Zn-Mg)合金，7039 合金可以通過軋制、鍛造、擠壓等方式制造裝甲板，英國研制了中等強度、耐腐蝕的可焊鋁合金7020，高強度可焊鋁合金7017 以及可焊50 mm 以上厚度的7018。對7.62 mm 和14.5 mm 穿甲彈而言，7039 鋁合金的法線角防護性能優(yōu)于均質(zhì)鋼裝甲，7017 的硬度比7039 稍大，但韌度稍差。美國“布雷德利”步兵戰(zhàn)車的首上甲板采用7039 制成，英國“武士”步兵戰(zhàn)車采用了7017 材料，此類材料通過熱處理強化可獲得良好的力學和抗彈性能，但有一定的應力腐蝕開裂敏感性，不適合于易腐蝕環(huán)境使用。

為解決鋁合金抗彈性能和抗應力腐蝕性，美國研制了2519-T87 鋁合金，前蘇聯(lián)研制了含Sc 的01975 鋁合金，其中2519-T87 既具有與7039-T64 相當或更高的抗彈性能，也具有5083-H151 優(yōu)良的焊接性和抗應力腐蝕性。而美國最新研制的2139T8 和2195T8P4，相比于前述鋁合金裝甲材料，具有更加優(yōu)異的力學和抗彈性能［4-6］。

1.3 鈦合金裝甲材料

鈦合金是性能優(yōu)異的裝甲防護材料，韌度比鋁合金好，其密度是裝甲鋼的60%，但強度與裝甲鋼相當，鈦合金裝甲的防護性能比同等重量的均質(zhì)鋼裝甲優(yōu)越30% ～40%，由于其成本高于同等防護性能鋼裝甲約10 ～20 倍，因此鈦合金在坦克裝甲車上沒有得到廣泛應用。鈦合金目前主要用于艙蓋部件、附加頂裝甲、炮塔座圈、車長艙蓋、發(fā)動機頂蓋等。美國對鋁合金薄裝甲技術以及鈦合金低成本制造技術進行了研究，并用X 射線CT 拓撲技術研究了Ti-6Al-4V 裝甲終點破壞情況。此外，美國和歐洲研究了Ti-6Al-1. 8Fe-0.1Si，德國、奧地利研究了TiAl，澳大利亞研究了Ti-6Al-4V、Ti-8Al-1Mo-1V 等合金的性能情況［7］。

1.4 陶瓷裝甲材料

陶瓷材料硬度和抗壓強度高，能防護高速穿甲彈的侵蝕，其密度小，約為均質(zhì)裝甲鋼的25% ～50%，有利于減輕裝甲質(zhì)量。陶瓷材料耐熱性好，有利于抵御高溫射流的侵蝕。陶瓷材料也存在塑性差、斷裂強度低、成型尺寸小等缺點，因此不能作為均質(zhì)裝甲單獨使用，通常與金屬材料、樹脂基復合材料等構(gòu)成復合裝甲。

裝甲陶瓷材料主要有氧化鋁、碳化硅、碳化硼、硼化鈦、氮化硅等。其中碳化硼(B4C)的密度最低，硬度最高，是理想的輕型裝甲陶瓷材料，但價格昂貴。氧化鋁(Al2O3)抗彈性能略低，但燒結(jié)性能好、制品尺寸穩(wěn)定、表面粗糙度低、價格便宜，被廣泛應用。碳化硅(SiC)密度比氧化鋁小，硬度較高，硼化鈦(TiB2)密度較大，硬度高，可防大口徑彈的侵徹，是較理想的重型裝甲材料，可用于戰(zhàn)車的裝甲面板。

當前，陶瓷裝甲材料研究的重點是提高其韌性并降低生產(chǎn)成本，美國采用微波燒結(jié)技術提高生產(chǎn)效率，大幅降低了生產(chǎn)成本，并實現(xiàn)了碳化硅和硼化鈦陶瓷材料的規(guī)模化生產(chǎn)。為提高抗彈性能，美國計劃發(fā)展全致密碳化硅、氧化鋁、硼化鈦和碳化硼等單質(zhì)陶瓷材料、陶瓷基復合材料以及透明陶瓷材料［8］。

1.5 樹脂基復合裝甲材料

樹脂基復合裝甲材料由疊層基質(zhì)粘合加強纖維組成，由基質(zhì)提供連續(xù)相位將荷載傳遞給更堅硬的纖維，采用的纖維有E 玻璃纖維、S 玻璃纖維和芳綸纖維(Kevlar29、Kevlar49、Kevlar129、Kevlar KM2)等。樹脂基復合裝甲材料主要利用纖維的拉長塑性變形和斷裂來吸收侵徹彈丸能量，從而實現(xiàn)抗彈功能。

樹脂基復合材料具有良好的防腐、絕熱、隔音和隱身性能，在相同抗彈能力前提下提高了結(jié)構(gòu)性能，減輕了車體重量。樹脂基復合材料可以防止裝甲背面崩落毀傷乘員和設備，從而避免因采用附加的車體內(nèi)襯引起的附加重量。目前，一些國家正在研究用樹脂基復合材料作為車體結(jié)構(gòu)材料，包括美國的先進復合裝甲車(CAV)平臺以及英國的先進復合材料裝甲車輛平臺(ACAVP)計劃等［9］。

2 裝甲防護技術發(fā)展

2.1 爆炸反應裝甲

爆炸反應裝甲通常以附加或披掛的方式使用，其基本結(jié)構(gòu)類似于“三明治”即在一層鈍感炸藥的兩側(cè)各放置一塊鋼板(面板和背板)，當破甲射流擊穿面板后，裝藥被引爆，暴轟波將面板和背板向相反的方向推出，面板和背板在飛行過程中對侵徹體起到干擾和破壞作用，使侵徹體減少或喪失繼續(xù)侵徹能力，降低對主裝甲的毀傷［10］。

以色列、俄羅斯等國在爆炸反應裝甲研究領域處于領先。以色列自1982 年首次在主戰(zhàn)坦克上安裝反應裝甲以來，已開發(fā)了五代產(chǎn)品，拉斐爾公司研制的新型爆炸反應裝甲已安裝在M113 裝甲輸送車、美國“布雷德利”步兵戰(zhàn)車及新型防地雷反伏擊車上。俄羅斯研制的“接觸-5”爆炸反應裝甲可使坦克對穿甲彈防護能力提高20% ～40%，能抵御M829A1 貧鈾穿甲彈的攻擊，目前已安裝在T-72、T-80、T-90等主戰(zhàn)坦克上。

隨著裝甲車輛防護技術的進步，各國對爆炸反應裝甲的研究也呈現(xiàn)新的特點，主要體現(xiàn)在利用外掛爆炸反應裝甲的殼體材料和形狀實現(xiàn)車輛的隱身功能;改進結(jié)構(gòu)，保持與已爆炸反應裝甲相鄰單元的完好狀態(tài)，提高反應裝甲的抗損毀能力;利用傳感器和微處理器控制技術研制主動反應裝甲，實現(xiàn)精準確定爆炸反應塊和爆炸時機，以更有效的方式攔截來襲彈藥。

2.2 復合裝甲

復合裝甲是一種多層結(jié)構(gòu)的組合裝甲，組成材料為金屬、陶瓷、纖維等，其各層材料、厚度、連接方式、細微結(jié)構(gòu)和形狀的不同可得到不同的防護效果，這種類型裝甲的防護性能明顯優(yōu)于普通均質(zhì)裝甲［11-13］。

最早的復合裝甲出現(xiàn)在前蘇聯(lián)的T-64A 上，它是一種夾層結(jié)構(gòu)，T-64A 車體首上裝甲由80 mm 鋼板、105 mm 玻璃纖維和20 mm 鋼板組成，防護高速動能彈和破甲彈的能力分別相當于375 mm 和450 mm 均質(zhì)鋼裝甲。T-80BV 車體復合裝甲采用三層結(jié)構(gòu)，140 mm 高碳鋼板、80 mm 陶瓷柱夾層、20 mm 增強纖維構(gòu)成了第一層，120 mm 高碳鋼板、80 mm 陶瓷柱夾層、20 mm 增強纖維是第二層，50 mm 高碳鋼板、80 mm陶瓷柱夾層、20 mm 增強纖維為第三層，試驗證明44 倍口徑的RH-120 和M256 型火炮均無法將其擊穿。而T-72BM、T-80U、T-90 主戰(zhàn)坦克采用了5 層鋼板與含玻璃纖維的夾布膠木板交替疊加的復合裝甲，T-80U 防護穿甲彈/破甲彈的能力相當于550 mm 和720 mm 均質(zhì)鋼裝甲，T-90 防護穿甲彈/破甲彈的能力相當于570 mm 和900 mm 均質(zhì)鋼裝甲。

英國的“喬巴姆”復合裝甲能有效防護破甲彈、碎甲彈和鎢彈芯脫殼動能彈，防護穿甲彈的能力是均質(zhì)鋼裝甲的3倍?！皢贪湍贰睆秃涎b甲是將不同特性的材料綜合在一起形成防多種彈藥的能力，通過吸熱化學材料結(jié)合陶瓷復合材料抵御破甲彈，通過易變形的材料支撐鋼材料以提供減振能力，達到防碎甲彈的效果。目前，“挑戰(zhàn)者”系列、M1、“豹”2等主戰(zhàn)坦克都采用了這種復合裝甲。

美國利用核廢料研制的貧鈾復合裝甲防護穿甲彈/破甲彈的能力相當于600 mm 和1 300 mm 均質(zhì)鋼裝甲，并將其用于M1A1HA 坦克，為坦克提供了強大防護能力。

2.3 格柵裝甲

格柵裝甲是為防止RPG-7 火箭筒發(fā)射的火箭彈聚能裝藥引爆而研制的一種安裝在裝甲車體外部的非常規(guī)裝甲。其防護原理:火箭彈前端的壓電式觸發(fā)引信通過一個雙層前錐體與聚能裝藥底部的引爆器相連，當前錐體一側(cè)擊中格柵裝甲側(cè)緣而受到擠壓后，內(nèi)外錐體相碰造成引信短路，從而阻止聚能裝藥引爆。阿富汗戰(zhàn)爭時期，蘇軍在部分T-62 主戰(zhàn)坦克上安裝了條形格柵裝甲，伊拉克戰(zhàn)爭后，條形格柵裝甲開始大規(guī)模應用。條形裝甲易于安裝，其鋼條厚6 mm，寬50 mm，間距為64 mm，面密度約50 kg/m2。美國“斯特賴克”裝甲車、英國“彎刀”輕型偵察車、俄羅斯BMP-2 步兵戰(zhàn)車和BTR-80 裝甲輸送車等先后安裝了條形格柵裝甲。

為減輕裝甲車戰(zhàn)斗全重，滿足裝甲輕量化需求，各國不斷研制新型格柵裝甲。BAE 系統(tǒng)公司研制了長桿型裝甲，用高強度鋁合金桿代替鋼條，面密度比條形裝甲減少了50%，該型裝甲已安裝在美國“野?！睊呃总嚿?。瑞典魯阿格公司研制的LASSO 線網(wǎng)裝甲是采用4 mm 高強度鋼絲組成的菱形網(wǎng)，面密度約為15 ～20 kg/m2，丹麥將其安裝于M113 裝甲輸送車上。美國福斯特-米勒公司研制的PRGNet 線網(wǎng)裝甲采用Kevlar 纖維制造，利用由方形金屬構(gòu)件制成的線網(wǎng)節(jié)點將線網(wǎng)固定成合適的結(jié)構(gòu)，其面密度為10 kg/m2，該裝甲已安裝在法國VBCI 步兵戰(zhàn)車上。Amsafe 公司和英國國防部聯(lián)合研制的“塔蘭”裝甲由覆有合成纖維織布網(wǎng)的面板組成，用于擠碎擊中裝甲網(wǎng)的榴彈頭，其面密度為5 kg/m2，“塔蘭”裝甲已安裝到英國的重型運輸車和裝甲輸送車上［14］。

2.4 電磁裝甲

電磁裝甲是一種依靠儲存的電磁能使來襲射彈失去或降低侵徹能力，從而起到保護車輛和乘員作用的裝置。電磁裝甲可分為被動式和主動式。被動式電磁裝甲是將兩塊有一定間隙距離的裝甲板分別與高功率電容器的兩極相連，當破甲彈爆炸的金屬射流或穿甲彈芯穿過外板接近內(nèi)板時，兩板間絕緣層被擊穿激發(fā)電容器放電從而形成強磁場，同時大電流通過射流或彈芯，由于受到洛倫茲力和歐姆加熱效應的影響，在射流或彈芯中產(chǎn)生的磁流體動力效應導致射流或彈芯破碎，從而降低其侵徹能力［15-17］。

主動式電磁裝甲立足于對來襲彈丸主動攔截，使其在一定距離內(nèi)偏向或失去侵徹能力。首先通過探測裝置對射彈的方位、速度、距離進行探測和定位，然后發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射金屬板或其他攔截物，使射彈提前爆炸或偏轉(zhuǎn)。法-德圣路易斯研究所開展了線圈感應式主動電磁裝甲研究，1986 年即首次完成了電磁發(fā)射防護板試驗;1996 年完成了35 KV、400 KJ電容器的試驗裝置，電容器通過線圈放電40 μs，放電電流達50 KA;已獲得8 項專利，完成了防破甲彈和保護頂裝甲的柵格發(fā)射試驗。近年來，該所對防護板的速度、方向和穩(wěn)定性控制進行了重點研究。

美國陸軍研究所最早開始研究磁場重接式主動電磁裝甲，通過發(fā)射金屬板攔截和破壞接近戰(zhàn)車的動能彈丸。該所于1987 年使用多級磁場重接發(fā)射裝置將150 g 鋁板發(fā)射到1 000 m/s的速度，1992 年使用單級磁場重接發(fā)射裝置將長15.2 cm、厚1.27 cm 的銅鈹合金板發(fā)射出去，速度超過200 m/s，所發(fā)射金屬板的質(zhì)量、速度完全滿足裝甲防護的需要。目前，美國陸軍研究所在優(yōu)化發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)、提高發(fā)射裝置效率以及評估裝置工作時電磁環(huán)境對人員和設備的影響等方面開展研究。

3 結(jié)束語

未來反裝甲武器的技術和攻擊能力將不斷加強，單一被動裝甲防護已難以適應戰(zhàn)場環(huán)境和作戰(zhàn)任務需求的發(fā)展，裝甲防護也朝著多樣化、綜合化的方向發(fā)展演變。

1)坦克裝甲車輛將集材料學、力學、電子學、信息學技術新成就，進行綜合防護，實現(xiàn)不被發(fā)現(xiàn)、不被捕獲、不被命中、不被擊毀的防護目標。

2)被動裝甲防護作為坦克裝甲車輛最重要、最基本的防護形式不會改變。裝甲材料繼續(xù)向高硬度、高強度、高韌性、低密度、低成本方向發(fā)展，并通過新型材料的使用以及結(jié)構(gòu)和配置的優(yōu)化，實現(xiàn)裝甲的強韌化、輕量化、多功能化、模塊化、高效化，達到更高級別的防護水平。

3)主動防護技術逐步進入實用階段，在裝甲防護領域?qū)l(fā)揮重要作用。現(xiàn)有的裝甲防護技術大多是基于戰(zhàn)車被擊中而采取的被動防御技術，未來將更多地利用偽裝技術、隱身技術、干擾技術、紅外誘騙技術進行預先防護，降低坦克裝甲車輛被發(fā)現(xiàn)和探測到得概率。若受到敵方反裝甲武器攻擊，則主動防護系統(tǒng)將對來襲目標進行攻擊，避免被命中。

4)為不斷提高坦克裝甲車輛的戰(zhàn)場生存力和作戰(zhàn)能力，未來裝甲防護系統(tǒng)必須具備抗多次打擊的技術和能力。

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