高效抗沖擊復合材料在防彈防爆方艙中的應用

魏汝斌，翟文，李鋒，李英建，張文婷，梁勇芳，陳青香

(1.中國兵器工業(yè)集團第五三研究所，濟南 250031； 2.山東三達科技發(fā)展有限公司，濟南 250031)

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高效抗沖擊復合材料在防彈防爆方艙中的應用

魏汝斌1，2，翟文1，2，李鋒1，2，李英建1，2，張文婷1，2，梁勇芳1，2，陳青香1，2

(1.中國兵器工業(yè)集團第五三研究所，濟南 250031； 2.山東三達科技發(fā)展有限公司，濟南 250031)

摘要：以提高極端條件下方艙生存能力為背景，結(jié)合防彈防爆方艙的防護需求，論述了方艙的防彈防爆防護標準，總結(jié)了特種方艙防護技術的發(fā)展現(xiàn)狀，介紹了高效抗沖擊復合材料在防彈防爆方艙中發(fā)揮的重要作用和應用情況。

關鍵詞：方艙；防彈防爆；復合材料；應用

聯(lián)系人：翟文，研究員，主要從事高效抗沖擊復合材料與功能防護材料研究

方艙是為人員和裝備提供適宜環(huán)境和空間，便于實施多種方式裝運的獨立艙室。方艙是地面設備重要的運載平臺和集防裝備，使用靈活性強，能夠適應多種方式的運輸，在指揮系統(tǒng)、衛(wèi)星通訊、電子對抗、設備檢修、后勤保障、野戰(zhàn)醫(yī)院等作戰(zhàn)領域中發(fā)揮著特殊作用[1]。

反恐戰(zhàn)爭中，生存是方艙完成各種作戰(zhàn)、技術支援和后勤保障任務的前提。近幾十年的局部戰(zhàn)爭表明，精確制導武器和電子信息對抗是決定未來戰(zhàn)場成敗的主要因素。1990年的海灣戰(zhàn)爭中，精確制導武器的使用量只占機載投射武器的8%，1995年的波黑戰(zhàn)爭中上升至69%，科索沃戰(zhàn)爭中已達到98%。2003年的伊拉克戰(zhàn)爭，美國的迅速勝利完全是依賴了其高度精確的制導武器和電子信息對抗技術。大量電子戰(zhàn)兵器、精確制導武器、自動化指揮系統(tǒng)等高技術兵器的投入，大大增強了戰(zhàn)爭的破壞性和劇烈性，戰(zhàn)場前后方界線日漸模糊，戰(zhàn)場上的方艙面臨前所未有的生存考驗。隨著世界反恐局勢的日益嚴峻，提高特種方艙的抗彈防爆能力，使其抵御不同等級的槍彈打擊和爆炸物碎片打擊，最大限度的保護艙內(nèi)工作人員和艙內(nèi)設備，成為方艙設計人員亟待解決的問題，防彈防爆方艙的研究應用成為特種方艙研究領域的重要議題。

1　防彈防爆方艙防護標準與等級

美國是世界上方艙標準最健全和最先進的國家。據(jù)不完全統(tǒng)計，涉及美軍方艙的通用規(guī)范、產(chǎn)品規(guī)范、材料規(guī)范和試驗規(guī)范等多達六七十種，主要包括：ASTM E1925–01 《硬壁可移動結(jié)構(gòu)的工程和設計準則》、ASTM E 1976–01 《非擴展戰(zhàn)術方艙規(guī)范》、ASTM E 1977–01 《單側(cè)擴展戰(zhàn)術方艙的規(guī)范》、ASTM E 1978–01 《雙側(cè)擴展戰(zhàn)術方艙規(guī)范》、ASTM E 1091–03 《方艙大板用非金屬蜂窩芯規(guī)范》等[2]。

20世紀80年代，我國研制成功了第一代軍用方艙設備，經(jīng)過不斷發(fā)展，方艙裝載體制在我軍裝備的發(fā)展進程中發(fā)揮了重要作用，推廣和應用力度不斷加強。目前，我國已逐步建立起方艙標準體系，軍用方艙的發(fā)展進入技術規(guī)范化、質(zhì)量優(yōu)質(zhì)化階段。各部門分別組織制定的方艙標準包括：電子部電子設備車輛專業(yè)通用部標20余項，航天部專用部標1項，空軍通用國軍標2項，總后軍事交通運輸部通用國軍標9項，總后軍事醫(yī)學科學院專用國軍標1項，總參四部專用國軍標1項[3]。

然而，國內(nèi)目前還沒有防彈防爆方艙的專用防護標準體系，其防彈防爆等級主要參考GA164–2005 《專用運鈔車防護技術條件》(見表1)、GA668–2006 《警用防暴車通用技術條件》(見表2)、GA17840–1999 《防彈玻璃》，歐洲標準PREN 1522、北約標準STANAG 4569(見表3)、美國司法部NIJ標準等。防彈防爆方艙的防護等級可按照方艙裝備服役環(huán)境及受威脅程度的不同，參考有關標準確定。

表1　GA164–2005專用運鈔車防護技術條件

表2　GA668－2006 警用防暴車通用技術條件

表3　北約STANAG 4569標準

2　國內(nèi)外防彈防爆方艙防護技術發(fā)展現(xiàn)狀

方艙裝備起源于美國，最早應用于朝鮮戰(zhàn)場，用于戰(zhàn)爭中軍用地面電子設備的運輸。經(jīng)歷了半個世紀的發(fā)展，軍用方艙在直接作戰(zhàn)、技術支援、后勤保障裝備中得到了廣泛應用。其中，美國和西歐國家的方艙在技術標準、產(chǎn)品開發(fā)、技術性能、產(chǎn)品制造和裝備應用方面均居先導地位，代表了當今世界的先進水平和技術發(fā)展方向。

美軍一直重視防彈防爆方艙的預先研究、研制開發(fā)和產(chǎn)品應用工作。1990年，美軍制定了防彈防爆方艙研制規(guī)劃，確定了近、中、遠期研制目標。選定了抗核及防彈防爆加固的三個等級標準，其中承受沖擊波超壓分別為2.75×104，4.18×104，6.86×104Pa；防彈標準為輕武器發(fā)射7.62 mm球形頭子彈和彈著速度為600 m/s、質(zhì)量為40 g的彈片不能垂直擊穿方艙壁[2]。

目前，國際先進軍用方艙防彈防爆設計包括兩種形式：模塊式附加結(jié)構(gòu)與整體式結(jié)構(gòu)。模塊式附加結(jié)構(gòu)是指方艙本身并不具備防彈層結(jié)構(gòu)，其防彈系統(tǒng)由數(shù)塊附加式標準防彈板組成，使用時標準板拼接成方艙防彈面，任意一塊損壞的防彈板可隨時拆卸更換。使用時，將預制好的模塊化防彈防爆板掛接在方艙上，由方艙承受防彈板的質(zhì)量。該結(jié)構(gòu)防爆能力有限，不能防護核爆炸超壓，主要履行防彈功能，在常規(guī)戰(zhàn)場上有一定的實戰(zhàn)作用，其優(yōu)點在于：可為成品方艙或無防彈能力的方艙提供一定的防彈能力，提高戰(zhàn)場生存率；模塊化結(jié)構(gòu)使用靈活，可與方艙分開放置、運輸，模塊化附加結(jié)構(gòu)的尺寸和質(zhì)量不受方艙運輸結(jié)構(gòu)的限制；不同種類的方艙可使用同一種模塊化防彈板，通用性好，制造成本低。整體式結(jié)構(gòu)是指防彈防爆層是方艙大板的一個組成部分，防彈防爆結(jié)構(gòu)與方艙大板同步生產(chǎn)加工，完全粘接在一起，防彈防爆性能成為方艙的固有性能。方艙大板為“三明治”結(jié)構(gòu)形式，無論大板制造采用現(xiàn)場發(fā)泡成型工藝還是粘接壓制成型工藝，整體結(jié)構(gòu)形式的防彈防爆性能均好于披掛結(jié)構(gòu)形式，適于提高方艙的整體防彈防爆性能[4]。

美國方艙生產(chǎn)廠商Craig系統(tǒng)公司推出的N–1080防彈防爆方艙，長3.734 m，寬2.21 m，高2.12 m。艙內(nèi)主要裝載電子和各種通信設備，用于戰(zhàn)地前線的通信，能夠最大限度地阻止核武器爆炸效應對艙內(nèi)設備的破壞。該方艙壁板、地板和頂板是Kevlar層壓板，內(nèi)部配件很多也都采用了Kevlar加強產(chǎn)品。在艙門上安裝了專用防爆鉸鏈，門上方裝有V–864防爆閥。該方艙已在新墨西哥州白沙導彈靶場通過了戰(zhàn)術武器爆炸模擬試驗，進行了小批量生產(chǎn)。S–658方艙屬于抗核加固方艙，由美國Harry Diamond研究所負責研制，意大利MiKi SPA公司生產(chǎn)Kevlar復合大板，Craig公司組裝成方艙。艙體采用了Kevlar層壓復合大板，大板厚63.5 mm。芯材采用了防水紙蜂窩芯，芯中設置由Kevlar和玻璃纖維合成的盒狀加強肋。試驗證明，該方艙經(jīng)受住了最高峰值達6.9×104Pa的超壓，經(jīng)受熱脈沖時間為3 s，能量達2.3 BTU/inch2。同時，該方艙還能防常規(guī)彈藥破片的洞穿和核、生、化武器的攻擊。美國S–280標準電子設備方艙，在其大板內(nèi)、外鋁面板上粘接了鋁蜂窩材料和Kevlar層壓復合材料。Kevlar層壓復合材料采用了9層織物的Kevlar 49，面密度為0.23 kg/m2，用環(huán)氧樹脂粘接、加壓、固化而成。采用尺寸為3.2 mm的鋁蜂窩，密度為130 kg/m3。該方艙能夠防7.62 mm子彈的射擊和彈著速度為600 m/s，質(zhì)量為40 g破片的攻擊。在爆炸試驗中，經(jīng)受住了5.0×104Pa的超壓。

德國“泰斯普瑞克”高防護性載員艙能夠給乘員提供比輸送普通人員裝甲車高得多的防護水平，其外部防護裝甲能夠抵擋炸彈碎片、狙擊槍彈、高爆地雷以及臨時爆炸裝置的襲擊，還能夠在各種氣候環(huán)境(-32℃～55℃)下工作。試驗證實，“泰斯普瑞克”高防護性載員艙可全向防御7.62×54 mm狙擊步槍子彈以890 m/s的初始速度在30 m外的射擊；可抵擋≤8 kg TNT當量的地雷爆炸，內(nèi)部乘員卻安然無恙。

丹麥COMPOSHIELD公司研發(fā)的防彈防爆方艙有兩種形式，一種是在方艙外安裝可卸去的防彈防爆復合材料模塊，另一種是在方艙內(nèi)壁永久性安裝防彈防爆復合材料。以上方艙容許總質(zhì)量在12 000～16 000 kg之間；方艙箱體空重2 500 kg；防彈防爆材料重5 000 kg；負載能力為4 500～8 500 kg之間。防爆防彈能力要求達到：(1)標準化協(xié)定(STANAG)4569 2級的防彈要求，包括7.62 mm穿甲彈多次彈著；(2)防12.7 mm穿甲燃燒彈丸洞穿；(3)防81 mm炮彈1 m距離上的爆炸；(4)防105 mm炮彈10 m距離上的爆炸；(5)防10 kg TNT炸藥在5 m距離上的爆炸。該公司生產(chǎn)的防彈防爆方艙已于2005年供應軍品市場，可用做偵察、指揮所、戰(zhàn)術作戰(zhàn)中心、醫(yī)療和彈藥儲運等方艙[5]。

我國從20世紀70年代末開始進行方艙研究，1982年研制出第一臺方艙，目前已有幾十個單位從事方艙研制和生產(chǎn)。方艙結(jié)構(gòu)由原來的鋼骨架、鋼角架和鋁面板組成的骨架式方艙，發(fā)展成為采用夾芯板結(jié)構(gòu)，整板壓力發(fā)泡和粘接固化等工藝生產(chǎn)的大板式結(jié)構(gòu)，滿足我軍各領域?qū)Φ孛鏅C動裝備車載的需求[6]。

然而，國內(nèi)現(xiàn)有裝備部隊的方艙大多不具備防彈防爆功能。現(xiàn)役金屬方艙的鋁蒙皮夾芯板表面平整光滑，易反射雷達波、激光，同時，方艙的空調(diào)散熱器是紅外末制導的尋的熱源，這都成為方艙遭受打擊的隱患因素。另外，鋁蒙皮夾芯大板強度有限，難以抵御彈頭打擊和爆炸物碎片襲擊，易被洞穿，易被摧毀。當艙內(nèi)的人員受傷、設備受損時，方艙就好比一堆廢鐵，完全不能履行其作戰(zhàn)功能。

3　高效抗沖擊復合材料在防彈防爆方艙中的應用

隨著復合材料技術、材料性能的大幅提升和制造工藝的日益成熟，新型復合材料方艙的戰(zhàn)技術性能越來越好。與傳統(tǒng)的鋁蒙皮夾芯大板式結(jié)構(gòu)金屬方艙相比，新型復合材料方艙的優(yōu)點在于：質(zhì)量輕、防腐蝕，不產(chǎn)生有害氣體；環(huán)境適應性好，能夠經(jīng)受高低溫、熱循環(huán)和潮濕的影響；復合材料蒙皮耐用，使用壽命長，修理維護成本低；絕熱性能好，能量利用率高；作戰(zhàn)反應迅速，部署快捷[7]。在防彈防爆方艙的研制過程中，高效抗沖擊復合材料因高比強度、高比模量、低密度、抗沖擊效率高、性能可設計性好，功能集成性強，可與裝甲鋼、裝甲鋁、抗彈陶瓷及其它材料匹配使用，得到了科研人員的重視和應用[8]。當前可用于防彈防爆方艙的高效抗沖擊復合材料主要有玻璃纖維復合材料(GFRP)、芳綸纖維復合材料(AFRP)、超高分子量聚乙烯(PE-UHMW)纖維復合材料、聚對苯撐苯并二噁唑(PBO)纖維復合材料、陶瓷/纖維復合材料結(jié)構(gòu)單元等。

(1) GFRP。

玻璃纖維具有強度高、密度低、耐高溫、耐腐蝕、吸濕性低、絕緣性好的優(yōu)點，資源分布廣泛、價格低廉，在防彈纖維領域占有重要地位[9]。GFRP是第一代廉價抗彈裝甲材料[10]，在M113戰(zhàn)車、Bradley戰(zhàn)車、M60坦克、美國海軍黃蜂級兩棲攻擊艦(LHD–3～LHD–8)均采用高強玻纖裝甲系統(tǒng)[11–12]。GFRP的拉伸、壓縮性能好，密度僅為鋁合金的70%，其抗彈能力為均質(zhì)鋼的3倍，對破甲彈防護能力強[13]，適于制作輕量化、低成本構(gòu)件，具有一定的防彈防爆能力，是方艙面板的理想材料[14]。圖1為GFRP產(chǎn)品圖。玻璃鋼方艙具有耐高溫、耐老化、耐腐蝕、強度高、抗沖擊性好、成本低等特點，其工作環(huán)境溫度在–70～80℃，特別適合在沿海及有腐蝕性的地方使用，有力地提高了方艙的戰(zhàn)技性能。美軍軍用規(guī)范MIL–S–28633B(YD)規(guī)定，其方艙夾芯板的面板采用GFRP[15]。

圖1　GFRP產(chǎn)品

(2) AFRP。

芳綸纖維是由美國杜邦公司于20世紀60年代末研發(fā)的一種高性能芳香族聚酰胺有機纖維材料，20世紀70年代初，杜邦公司將其商品化，并命名為Kevlar。芳綸纖維密度為1.44 g/cm3，僅為鋼材的五分之一，強度卻為優(yōu)質(zhì)鋼的5倍以上，模量為鋼材的2～3倍，斷裂伸長率是鋼材的2～4倍，耐火耐熱性強、比強度高、抗沖擊性強、加工性能好[16]，被稱為第二代裝甲材料。除Kevlar外，目前國際上有代表性的芳綸纖維牌號還包括荷蘭阿克蘇的Twaron、俄羅斯的Armos等。

AFRP在國外方艙設計中被廣泛用作防彈防爆材料。美軍防彈防爆方艙大板大多數(shù)采用Kevlar層壓材料作為防彈層。綜合性能優(yōu)異的方艙防彈大板一般由6層組成，依次為Kevlar層壓材料板、鋁蜂窩材料板、細金屬絲編制網(wǎng)、纖維增強硬泡沫板、鋁合金板、Kevlar層壓材料板。該種防彈防爆方艙具有防電磁干擾和電磁脈沖、防彈防爆、防偵察探測及防核生化的全加防功能。圖2為AFRP層壓板產(chǎn)品圖。

圖2　AFRP層壓板

(3) PE-UHMW。

PE-UHMW是新一代高性能纖維材料，它表現(xiàn)出的防護特性在很多方面超過了一度被稱為終極防彈材料的Kevlar纖維，在當今防護技術領域應用十分廣泛。它的優(yōu)異之處在于：強度更高，質(zhì)量更輕(密度僅為0.97 g/cm3)，化學穩(wěn)定性更好，具有很好的耐氣候老化性，耐低溫能力強[17]。面密度相等時，PE-UHMW纖維復合材料的防彈防爆性能明顯優(yōu)于AFRP。德國海岸巡邏艦、“豹”2坦克、荷蘭XA–1886×6裝甲車等均采用了PE-UHMW防彈板。國際上已商品化的PE-UHMW纖維牌號主要包括美國Allied Signal公司的Spectra纖維和荷蘭DSM公司的Dyneema纖維等，國內(nèi)規(guī)模較大的生產(chǎn)商主要有寧波大成、湖南中泰、北京同益中等。PE-UHMW纖維的缺點是價格昂貴、耐高溫性能差，在應用中受到一定限制。圖3為PE-UHMW纖維復合材料板產(chǎn)品圖。

圖3　PE-UHMW纖維復合材料板

(4) PBO纖維復合材料。

PBO纖維是20世紀80年代美國航空航天領域研制的新型高性能纖維，90年代由東洋紡織公司實現(xiàn)商業(yè)化。PBO纖維理化性能、力學性能優(yōu)異，其強度、彈性模量是芳綸纖維的兩倍，阻燃耐熱性能好，被譽為21世紀超級纖維[18]。PBO纖維復合材料抗沖擊性能極為優(yōu)異，其沖擊載荷和吸能性能均高于AFRP，在防護技術領域應用潛力巨大，中國兵器工業(yè)集團第五三研究所已對PBO纖維增強復合材料的防彈性能進行了系統(tǒng)研究[19]。目前，該纖維的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)剛剛起步，價格昂貴，限制了其發(fā)展應用。

(5)陶瓷/纖維復合材料結(jié)構(gòu)單元。

陶瓷/纖維復合材料結(jié)構(gòu)單元是一種典型的現(xiàn)代裝甲防護結(jié)構(gòu)，已廣泛應用在坦克裝甲車輛、飛機、艦船、人體防護裝備等關鍵部位的防彈層上[20]?？箯椞沾刹牧暇哂杏捕雀?、密度低、耐磨性好、防護效能高等優(yōu)點，在破甲彈、動能穿甲彈等大威力彈體侵徹時防護效果顯著[21]。常用的抗彈陶瓷主要有氧化鋁、鋯剛玉、碳化硅、碳化硼、硼化鈦陶瓷及其復合材料[22]。該防護結(jié)構(gòu)利用高硬度陶瓷材料使來襲彈體受挫、破損、碎裂，利用高韌性纖維復合材料背板充分吸收剩余能量，可大大提高防彈防爆方艙的防護等級。圖4為SiC陶瓷/芳綸復合材料產(chǎn)品圖。

圖4　SiC陶瓷/芳綸復合材料產(chǎn)品

中國兵器工業(yè)集團第五三研究所于2007年開始復合材料防彈防爆方艙的研制工作，研制出抗彈/結(jié)構(gòu)/功能一體化防彈方艙。該艙采用高性能芳綸纖維復合材料內(nèi)襯，大大提高了防彈和防爆性能，整車六面防彈指標達到《警用防暴車通用技術條件》C級；產(chǎn)品不僅防護性能優(yōu)異，并具有良好的隔熱、隔音、防電磁屏蔽、防火、防腐蝕、防潮、防雨、防塵等性能。圖5中的方艙即為五三所為某部隊研制的整體式復合材料防彈方艙。

圖5　五三所研制的防彈方艙實物照片

4　結(jié)語

近年來，國際恐怖主義活動日益猖獗，世界反恐形勢嚴峻，熱點地區(qū)社會暴力犯罪事件頻發(fā)。在這些國家和地區(qū)，戰(zhàn)場前后方界限非常模糊，反恐用特種方艙裝備的生存面臨嚴峻考驗。軍用方艙是武器裝備系統(tǒng)的重要組成部分，我軍對方艙防彈防爆能力的要求越來越高。國外一直重視防彈防爆方艙的研制、生產(chǎn)和產(chǎn)品應用工作，而國內(nèi)對方艙的防彈防爆研究工作起步較晚，缺乏相關標準和試驗數(shù)據(jù)，這就需要各相關研究、生產(chǎn)單位加快技術創(chuàng)新，促進防彈防爆方艙的技術進步。高效抗沖擊復合材料在防彈防爆方艙應用領域具有獨特的優(yōu)勢，有廣闊的應用前景。

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Application of High Efficiency Impact Resistant Composites in Bulletproof and Explosionproof Shelter

Wei Rubin1，2， Zhai Wen1，2， Li Feng1，2， Li Yingjian1，2， Zhang Wenting1，2， Liang Yongfang1，2， Chen Qingxiang1，2
(1. CNGC Institute 53， Jinan 250031， China； 2. Shandong Sanda Scientific and Technological Development Co. Ltd.， Jinan 250031， China)

Abstract：Improving the survival ability of shelter under extreme conditions as background，with bulletproof and explosionproof shelter needs，the bulletproof and explosion-proof protection standards for shelters were discussed. At the same time，the development status of special shelter protection technology was summarized. The importance and applications of high efficiency impact resistant composites in bulletproof and explosion-proof shelter were introduced.

Keywords：shelter；bulletproof and explosionproof；composite；application

中圖分類號：TB332

文獻標識碼：A

文章編號：1001-3539(2016)04-0131-05

doi:10.3969/j.issn.1001-3539.2016.04.029

收稿日期：2016-02-03