透明裝甲材料在自行高炮頂部防護(hù)上的論述

趙 勇, 張一智,李 坤

(1.炮兵防空兵學(xué)院鄭州校區(qū)，河南 鄭州 450052；2.鄭州大學(xué) 國際學(xué)院，河南 鄭州 450052 )

自行高炮主要擔(dān)負(fù)掩護(hù)機(jī)械化部隊行軍、集結(jié)、展開和進(jìn)攻作戰(zhàn)，遂行機(jī)動防空任務(wù)，是空襲方實施對地攻擊前的首要打擊目標(biāo)。由于受到機(jī)動能力、制造成本等限制，國內(nèi)自行高炮在設(shè)計時只要求乘員四周具有防100 m距離射擊的7.62 mm普通步槍子彈能力。在現(xiàn)代高技術(shù)戰(zhàn)場上，隨著空襲與反空襲技術(shù)的發(fā)展，自行高炮不僅面臨傳統(tǒng)的地面反坦克武器和步槍子彈、地雷等威脅，還面臨來自空中平臺和地面火力武器發(fā)射彈藥對其頂部的攻擊。因此，對其自身防護(hù)能力特別是頂部的防護(hù)能力提出了新的要求。

1 自行高炮頂部防護(hù)需求

1.1 自行高炮頂部面臨的威脅

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，低空、超低空轟炸是打擊地面機(jī)械化部隊的有效手段之一，為此敵方往往首先在防空火力殺傷區(qū)外發(fā)射空地和反輻射導(dǎo)彈、反坦克導(dǎo)彈等空襲彈藥對地面防空武器進(jìn)行定點式打擊，或者利用遠(yuǎn)程地面大口徑火炮發(fā)射炮彈或末敏彈摧毀自行高炮等防空力量，奪取制空權(quán)，然后對機(jī)動或集結(jié)中的機(jī)械化部隊實施密集轟炸。對于制導(dǎo)、末制導(dǎo)、末端敏感以及智能攻頂彈藥而言，目標(biāo)特征的提取至關(guān)重要，目標(biāo)的探測、識別和鎖定是對自行高炮實施攻擊的前提條件。從目前常見的探測、制導(dǎo)體制來看，自行高炮頂部的搜索雷達(dá)天線、跟蹤雷達(dá)天線電磁波特征明顯；動力艙艙蓋、排氣百葉窗、火炮自動機(jī)等部位紅外特征明顯；火炮身管、導(dǎo)彈發(fā)射架、穩(wěn)定跟蹤平臺等外形特征明顯。與坦克、步兵戰(zhàn)車等裝備相比，自行高炮頂部目標(biāo)特征明顯，使其更易被精確定位和攻擊。由于自行高炮具有良好的機(jī)動性、煙幕掩護(hù)和在近距離上直接毀傷空襲彈藥的能力，加之空襲彈藥受到其制導(dǎo)精度的限制，自行高炮直接被命中的可能性較小。空襲彈藥主要是利用近炸引信使其戰(zhàn)斗部在自行高炮附近爆炸，利用爆炸產(chǎn)生的破片和沖擊波毀傷自行高炮頂部的雷達(dá)天線等設(shè)備。因此自行高炮頂部面臨的主要是空襲彈藥在自行高炮附近爆炸產(chǎn)生的高速破片和爆炸沖擊波的威脅，毀傷模式主要有擊穿、燒蝕、撕裂、變形和脫落等。

1.2 自行高炮頂部防護(hù)現(xiàn)狀

近年來國外新研制的自行高炮中加強了頂部防護(hù)設(shè)計，例如意大利“天龍座”自行高炮，在炮塔后方設(shè)計有跟蹤雷達(dá)的裝甲保護(hù)艙[1]；斯洛伐克“布雷姆斯”彈炮結(jié)合防空武器在車體和炮塔上設(shè)計了整體式防彈觀察窗，并且炮塔頂部的光電裝置可伸縮[2]；俄羅斯“通古斯卡”自行高炮為身管加裝了防護(hù)罩[3]；烏克蘭Kentavr彈炮結(jié)合防空武器為導(dǎo)彈加裝了防護(hù)箱，并且雷達(dá)可收回到炮塔后部[4]。國內(nèi)自行高炮頂部的搜索雷達(dá)、跟蹤雷達(dá)、紅外熱像儀、電視攝像機(jī)、激光測距機(jī)、車長鏡和炮手觀察鏡等暴露的部件均是自行高炮的關(guān)重件，缺少裝甲防護(hù)。文獻(xiàn)[5]對某破片式導(dǎo)彈攻擊25 mm自行高炮的毀傷概率進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明暴露在炮塔頂部的火力和單炮搜索雷達(dá)系統(tǒng)被毀傷的概率最大。

隨著自行高炮頂部威脅的不斷增加，為滿足自行高炮頂部設(shè)備和乘員安全以及對戰(zhàn)斗環(huán)境全視野觀察需要，參照相似裝備防護(hù)要求，自行高炮對透明裝甲的具體要求是：光學(xué)窗口具有較好的可見光和紅外光學(xué)透明度，透光率應(yīng)大于80%，電磁波功率傳輸系數(shù)大于90%，能防7.62 mm普通槍彈和高速炸(炮)彈碎片、并具有抗多次打擊能力，具有良好的環(huán)境耐久性和耐低速沖擊性能，質(zhì)量小、厚度薄，較高的效費比。目前防彈玻璃、透明陶瓷裝甲材料和透波纖維復(fù)合材料，在輕型軍用車輛、坦克裝甲車輛等領(lǐng)域有較好的應(yīng)用前景，筆者主要針對這三類抗彈裝甲材料在自行高炮頂部防護(hù)領(lǐng)域的研究及應(yīng)用進(jìn)行論述。

2 防彈玻璃特性及應(yīng)用

防彈玻璃通常是將浮法玻璃材料層用聚乙烯醇縮丁醛粘接，并用聚氨酯將浮法玻璃與背部的聚碳酸酯或聚甲基丙烯甲酯外層粘接。根據(jù)防彈理論，用相同材料制造的防彈玻璃，厚度對防彈能力的影響最大，材料承壓能力的增加與厚度呈指數(shù)關(guān)系，但隨著厚度增加，透明裝甲透光率降低、光學(xué)畸變將會增加，在實際應(yīng)用中，存在面密度大、質(zhì)量大等不足。

防彈玻璃在地面車輛的擋風(fēng)玻璃、側(cè)窗以及武器護(hù)盾等領(lǐng)域得到大量推廣應(yīng)用。例如，美國陸軍根據(jù)伊拉克和阿富汗的作戰(zhàn)需要，在裝甲車輛炮塔的周圍安裝了一系列向外傾斜約25°的防彈玻璃，可以為車長和炮長提供保護(hù)。在自行高炮防護(hù)領(lǐng)域，防彈玻璃除了可以應(yīng)用于駕駛員、炮手、車長等乘員觀察窗防護(hù)之外，還可用于制作駕駛員開艙駕駛防護(hù)罩、連指揮車機(jī)槍手的防護(hù)盾和導(dǎo)彈掛架防護(hù)罩等。隨著透明裝甲技術(shù)的發(fā)展，對減重的要求日益迫切，國內(nèi)外正在積極研發(fā)防護(hù)性能更強的透明陶瓷，取代防彈玻璃用作透明裝甲面板。

3 透明陶瓷裝甲特性及應(yīng)用

在透明裝甲系統(tǒng)中，透明陶瓷裝甲具有高硬度、高強度、高韌性、低密度，即“三高一低”的特性。文獻(xiàn)[6]指出，透明抗彈陶瓷應(yīng)具有抗彎強度70 MPa、維氏硬度5 GPa、全透光率>90%的性能。

3.1 透明陶瓷裝甲的結(jié)構(gòu)

透明陶瓷裝甲一般采用3個功能層，第一層通常為硬度較高的透明陶瓷面板，用于破碎彈頭或使其變形；中間層夾有柔性隔離層，以逐層添加的方式提供附加的防護(hù)能力，緩解由熱膨脹錯配造成的應(yīng)力，并防止裂紋擴(kuò)展；最后一層為韌性較高的聚合物，用于吸收彈丸和面板碎片的殘余動能。影響透明陶瓷裝甲防彈性能的因素主要有陶瓷裝甲的結(jié)構(gòu)形式、陶瓷材料性能、形狀和尺寸等幾個方面。陶瓷裝甲面板和背板的厚度等對透明陶瓷面板的抗彈性能有較大的影響，在給定面密度的情況下，面板和背板厚度比的優(yōu)化[7]為

tc/tb=ρb(r-rp)/[2A-ρc(r-rp)]

(1)

式中：tc，tb和ρc，ρb分別為陶瓷面板與背板的厚度和密度；A為復(fù)合裝甲面密度;rp為彈體半徑,大多數(shù)情況下，r≈0.8(rp+2A/ρc)。

計算表明面板和背板的厚度比、面密度比和密度比均存在最優(yōu)值。

3.2 透明陶瓷的抗彈性能

透明裝甲的陶瓷面板作為主要的抗彈單元，其性能直接影響著陶瓷裝甲的抗彈能力。常用的透明抗彈陶瓷面板材料主要有浮法玻璃、單晶氧化鋁、鋁酸鎂尖晶石和氮氧化鋁，其性能如表1所示，表中,HV、E、KIC、ρ分別代表材料的顯微硬度、彈性模量、斷裂韌性和密度。

表1 典型透明陶瓷基本性能

陶瓷類材料的防彈性能通常由彈能耗散能力(也稱D值)來表征[8]，D值越高，材料的彈能耗散能力越強，抗沖擊性能也越好。D值的定義為

(2)

為了更加直觀感知彈能耗散能力的大小，通常將某種材料D值與浮法玻璃D值的比值定義為彈能相對耗散系數(shù)Drel，計算結(jié)果如表2所示。從表2中可以看出，鋁酸鎂尖晶石的Drel最高，抗彈性能最好。

表2 彈能相對耗散系數(shù)

3.3 透明陶瓷裝甲的應(yīng)用

單晶氧化鋁是傳統(tǒng)的光學(xué)窗口和導(dǎo)彈罩制作材料，從生產(chǎn)和應(yīng)用的角度看，單晶氧化鋁陶瓷是目前最成熟的透明陶瓷。但是由于單晶氧化鋁具有各向異性，導(dǎo)致難以制備和加工，成本較高，在一定程度上限制了它的應(yīng)用。鎂鋁尖晶石透明材料具有立方結(jié)構(gòu)，光學(xué)各向同性，具有良好的抗沖擊性能，具有低成本和加工簡易的明顯優(yōu)勢。氮氧化鋁比單晶氧化鋁陶瓷更容易制得大尺寸部件，而且用傳統(tǒng)的陶瓷制備技術(shù)就可以制得形狀復(fù)雜的透明部件，具有低成本優(yōu)勢，因而成為最具潛力的新型透明陶瓷材料，美國已將氮氧化鋁多晶陶瓷列為21世紀(jì)重點發(fā)展的光功能透明材料之一。

透明陶瓷在裝甲車輛防護(hù)上獲得了廣泛應(yīng)用，如美國正在研究用透明陶瓷材料作為裝甲車輛的視窗以及用在潛望鏡等部件上，斯特賴克裝甲車在車長艙蓋上方增加了一塊透明陶瓷裝甲板，增強了車長出艙指揮時的防護(hù)能力。某自行高炮三光合一跟蹤鏡如圖1所示，紅外、電視跟蹤鏡，激光測距機(jī)，車長、炮手鏡等設(shè)備為使光學(xué)儀器免受塵埃、濕氣或霉變的侵蝕及機(jī)械碰傷，均加裝有保護(hù)玻璃。保護(hù)玻璃常用材料有冕玻璃、單晶硅和單晶鍺等，采用矩形平面保護(hù)窗口與平面彈性墊密封結(jié)構(gòu)形式，存在抗彈能力和抗多次打擊能力弱等問題，隨著現(xiàn)代戰(zhàn)場環(huán)境的變化和技術(shù)的發(fā)展，對光學(xué)保護(hù)窗口的防護(hù)能力提出了更多的功能需求。設(shè)想中的透明陶瓷保護(hù)板結(jié)構(gòu)如圖2所示，第1層為陶瓷面板；第2層為玻璃或者聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)；第3層為聚碳酸酯(PC)，層與層之間由彈性聚氨酯(PU)粘結(jié)，各層的厚度可以根據(jù)保護(hù)窗口的技術(shù)要求來計算確定。

4 透波纖維復(fù)合裝甲特性及應(yīng)用

透波纖維復(fù)合防彈材料是指對頻率在0.3～300 GHz、電磁波單向透過率大于70%，采用纖維織物或混雜纖維織物，在一定的工藝條件下與樹脂基體復(fù)合而制得的具有一定防彈性能的材料。用于制造雷達(dá)罩的透波纖維復(fù)合材料介電常數(shù)值通常為1～4，介電損耗角正切為10-2～10-3數(shù)量級，它是集防彈、防熱、透波于一體的多功能介質(zhì)材料。

4.1 雷達(dá)天線罩結(jié)構(gòu)與防彈特性

為了提高抗彈性能，地面雷達(dá)通常采用A型夾層和C型夾層結(jié)構(gòu)。A型夾層是由兩層比較致密的薄的表面層和低介電常數(shù)、低損耗、低密度的中間芯層組成；C型夾層是由兩層A型夾層組合而成。復(fù)合纖維防彈材料的防護(hù)機(jī)理是：當(dāng)彈丸侵徹復(fù)合材料防彈板時，通過層壓板內(nèi)纖維的拉伸、剪切、分層以及熔融等破壞方式，使彈丸的動能轉(zhuǎn)變?yōu)閷訅喊宓膽?yīng)變能，降低以至全部吸收彈丸的動能，阻擋彈丸前進(jìn)，從而起到裝甲防護(hù)的作用。陳昕等[9]針對反輻射武器對雷達(dá)構(gòu)成的威脅，設(shè)計了一種既能夠直接防御反輻射武器近炸毀傷，又能保持優(yōu)異透波性能的防彈天線罩夾芯板塊結(jié)構(gòu)。彈道試驗和電磁性能測試結(jié)果表明，該夾芯結(jié)構(gòu)能夠防御某型反輻射導(dǎo)彈在15 m處爆炸產(chǎn)生的破片沖擊，并且在S波段的透波率平均值達(dá)到了98.6%。

目前，國內(nèi)透波復(fù)合材料使用的增強纖維仍以E玻璃纖維和S玻璃纖維為主，但其抗沖擊能力較差的特征，造成雷達(dá)天線罩在戰(zhàn)場環(huán)境中極易被破壞。透波纖維復(fù)合裝甲材料的增強體由早期的尼龍纖維、碳纖維、玻璃纖維發(fā)展為性能較好的芳綸纖維和超高相對分子質(zhì)量聚乙烯纖維。

4.2 透波纖維材料防彈特性

透波纖維材料的防彈性能是以該材料對彈丸或碎片能量的吸收程度來衡量的，纖維的密度、韌性、比模量、比強度及斷裂伸長率都影響纖維的防彈效果。纖維的防彈性能可表示為[10]

R2=WC

(3)

式中：R為防彈性能指標(biāo)；W為斷裂能量吸收率；C為纖維中的聲速，由纖維的韌性和模量決定，模量越高，韌性越好，就越大。

幾種雷達(dá)天線罩常用透波纖維的性能如表3所示。

表3 雷達(dá)天線罩常用透波纖維的性能

芳綸具有比強度高，斷后延伸率好，抗破壞力強等特點，并且在相同面密度情況下，樹脂/芳綸復(fù)合材料的抗彈能力是樹脂/玻璃纖維復(fù)合材料的2～3倍，是鋼的5倍左右[11]，被稱為第2代復(fù)合裝甲材料，可替代樹脂/玻璃纖維復(fù)合材料。

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是利用凝膠紡絲和超拉伸技術(shù)將相對分子質(zhì)量高達(dá)幾十萬甚至幾百萬的聚乙烯原料制成的高性能纖維，是已開發(fā)高性能纖維中最輕的一種，在防護(hù)子彈沖擊時的能量吸收和應(yīng)力波傳遞優(yōu)于其他纖維，具有良好的能量吸收特性，是第3代抗彈纖維。

4.3 透波纖維及其復(fù)合材料的應(yīng)用

芳綸纖維是制造雷達(dá)天線罩、雷達(dá)天線饋源功能結(jié)構(gòu)件、輕型天線支撐結(jié)構(gòu)件等的最常用增強材料。UHMWPE防彈性能高于芳綸復(fù)合材料，更適合作飛機(jī)、導(dǎo)彈、宇宙飛行器件及某些高尖端工業(yè)的構(gòu)件材料，如用于生產(chǎn)預(yù)警機(jī)雷達(dá)罩等。

目前，自行高炮雷達(dá)天線罩只能起到保護(hù)天線免受風(fēng)、雨、雪等自然環(huán)境影響的作用，沒有防彈抗爆能力。隨著現(xiàn)代空襲作戰(zhàn)樣式的發(fā)展，裸露在外的自行高炮雷達(dá)天線已經(jīng)受到各類空襲彈藥的嚴(yán)重威脅。尤其是戰(zhàn)場上的各類爆炸破片和爆炸沖擊波，都極易破壞天線，影響到自行高炮作戰(zhàn)能力的發(fā)揮。因此，選用纖維增強復(fù)合材料研制具有防彈抗爆能力的新型雷達(dá)天線防護(hù)罩，提高自行高炮雷達(dá)的戰(zhàn)場生存能力，具有非常重要的軍事意義。

5 結(jié)束語

目前，裝甲車輛防護(hù)技術(shù)發(fā)展趨勢是爭取建立一種“綜合防護(hù)系統(tǒng)”，使裝甲車輛達(dá)到：不被發(fā)現(xiàn)、不被捕獲、不被命中、不被擊穿和不被擊毀(降低概率)。對于自行高炮而言，雖具有能夠“硬毀傷”空襲彈藥的優(yōu)勢，但被動裝甲依然是應(yīng)對各種威脅的基本防護(hù)，是自行高炮基本性能之一，其發(fā)展方向是通過新型高性能材料及先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用和優(yōu)化配置，實現(xiàn)輕量化和模塊化，使自行高炮的防護(hù)朝著立體、全方位的方向發(fā)展。

參考文獻(xiàn)(References)

[1] 張璐,凌云.另類火神[J].現(xiàn)代兵器,2013(6):43-48.

ZHANG Lu, LING Yun. Alternative fire god[J]. Modern Weapons, 2013 (6): 43-48.(in Chinese)

[2] 康敏,徐琦琦.斯洛伐克“布雷姆斯”彈炮結(jié)合自行防空系統(tǒng)[J].火炮科技信息,2005(9):27-29.

KANG Min,XU Qiqi. The Slovak “Brams” shotguns combined with self-defence systems[J]. Artillery Technology Information, 2005 (9): 27-29.(in Chinese)

[3] 徐志偉.“通古斯卡大爆炸”百年祭[J].坦克裝甲車輛,2008(7): 5-11.

XU Zhiwei. “Tunguska big bang” century festival[J]. Tank Armored Vehicle, 2008(7): 5-11.(in Chinese)

[4] 徐虹,徐琦琦.烏克蘭Kentavr彈炮結(jié)合防空武器系統(tǒng)[J].火炮科技信息，2005(5): 4.

XU Hong, XU Qiqi. The Ukrainian Kentavr missile combined with air defense weapon system[J]. Artillery Technology Information，2005(5): 4.(in Chinese)

[5] 傅群忠,朱雪平,馮立冬.空地導(dǎo)彈對25毫米自行高炮武器系統(tǒng)毀傷能力評估[J].射擊學(xué)報,2004(2):32- 34.

FU Qunzhong, ZHU Xueping, FENG Lidong. Assessment of the damage capability of the missile to the 25 mm self-propelled weapon system[J]. Journal of Shooting, 2004 (2): 32-34.(in Chinese)

[6] 朱淵,喬冠軍.添加劑對多晶Al2O3透明陶瓷裝甲性能的影響[J].裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報, 2014,28(3): 87- 92.

ZHU Yuan,QIAO Guanjun.Effects of additives on transparent polycrystalline alumina ceramic armour[J].Journal of Armored Force Engineering Institute, 2014,28 (3): 87- 92. (in Chinese)

[7] 張新杰.影響陶瓷裝甲抗彈性能的主要因素[J].材料開發(fā)與應(yīng)用,2012，27(2):103-106.

ZHANG Xinjie.The main anti-ballistic factors of ceramic armor[J]. Development and Application of Materials, 2012,27(2):103-106.(in Chinese)

[8] 瞿高.Y-Al-Si-O-N基氧氮玻璃及其微晶玻璃的制備與性能[D].長沙：中南大學(xué),2014.

ZHAI Gao.The preparation and properties of Y-Al-Si-O-N oxynitride glasses and glass-ceramics[D]. Changsha：Central South University, 2014. (in Chinese)

[9] 陳昕,朱錫,張立軍，等.雷達(dá)防彈天線罩夾芯結(jié)構(gòu)設(shè)計與性能研究[J].兵工學(xué)報,2010,31(10):1298-1302.

CHEN Xin, ZHU Xi,ZHANG Lijun，et al. Design and performance of sandwich structure for ballistic-resistant radome[J]. Acta Armamentarii, 2010,31(10): 1298-1302. (in Chinese)

[10] 王波.高性能纖維防彈材料的基本種類、結(jié)構(gòu)及其防彈性能[J].輕紡工業(yè)與技術(shù),2010,39 (4):22-24.

WANG Bo. Basic types, structures and bullet proof pro-perties of high performance fiber bulletproof materials[J]. Light and Textile Industry and Technology, 2010,39 (4): 22-24. (in Chinese)

[11] 管志宏.新型芳綸纖維復(fù)合材料用于制造毫米波天線罩的研究[J].新技術(shù)新工藝,2016(11): 57-60.

GUAN Zhihong. Research of aramid fiber composite on manufacturing millimeter-wave antenna radome[J]. New Technology & New Process,2016(11): 57-60.(in Chinese)