爆炸反應(yīng)裝甲防攻頂技術(shù)研究

楊青山，張建仁，劉學(xué)柱，馮雄波

(1 太原地區(qū)第三軍事代表室，山西 太原 030012；2 山西江陽(yáng)化工有限公司軍品研究所，山西 太原 030041)

0 引言

在當(dāng)前的局部戰(zhàn)爭(zhēng)和地區(qū)沖突中,作戰(zhàn)環(huán)境和作戰(zhàn)模式由過(guò)去的常規(guī)作戰(zhàn)變?yōu)槌鞘凶鲬?zhàn),在這種非對(duì)稱作戰(zhàn)環(huán)境下,坦克等裝甲車輛頂部面臨的危險(xiǎn)日益嚴(yán)峻;同時(shí),為了應(yīng)對(duì)未來(lái)城市作戰(zhàn)形勢(shì),許多國(guó)家將大量現(xiàn)役性能良好的老舊坦克改裝為步兵戰(zhàn)車和輸送車,并進(jìn)行裝甲防護(hù)改進(jìn),使其具有優(yōu)異的防護(hù)性能。但是單兵便攜反裝甲武器的發(fā)展,對(duì)其構(gòu)成嚴(yán)重危險(xiǎn),特別是車輛頂部的防護(hù)需求尤為突出,因此開發(fā)新型頂部防護(hù)裝甲技術(shù),提高戰(zhàn)場(chǎng)防護(hù)力成為亟待解決的技術(shù)難題[1]。

1 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

隨著城市作戰(zhàn)越來(lái)越廣泛,步兵戰(zhàn)車越來(lái)越受到各國(guó)部隊(duì)的青睞,而諸如BMP類的輕型步兵戰(zhàn)車在城市作戰(zhàn)密集的火力下往往很難存活,重型步兵戰(zhàn)車的裝甲防護(hù)力研究也相繼展開。如俄羅斯的T-14重型步兵戰(zhàn)車,加裝軋制鋼板附加裝甲和間隔裝甲;英國(guó)的“阿賈克斯”重型步兵戰(zhàn)車,附加各種復(fù)合裝甲加強(qiáng)防護(hù);以色列的“雌虎”重型步兵戰(zhàn)車[2],加裝爆炸式反應(yīng)附加裝甲和主動(dòng)防御系統(tǒng)。此外,根據(jù)戰(zhàn)時(shí)情況可設(shè)計(jì)為3種等級(jí)的防護(hù)力:A級(jí)防護(hù)是可空運(yùn)型的,C級(jí)為戰(zhàn)斗型,車體和炮塔安裝高性能附加裝甲模塊,如德國(guó)的“美洲獅”;韓國(guó)的K-21[3],在裝甲表面加裝模塊組合陶瓷復(fù)合裝甲或加裝層式間隙裝甲,大幅提高防護(hù)力;美國(guó)的M2布拉德利步兵戰(zhàn)車,安裝了新型爆炸式反應(yīng)裝甲;俄烏戰(zhàn)爭(zhēng)中的俄軍坦克裝甲車輛,甚至安裝了剛性格柵籠式頂置附加裝甲[4]。為適應(yīng)未來(lái)的戰(zhàn)爭(zhēng)形勢(shì),配合主戰(zhàn)坦克的攻城略地,迫切需要發(fā)展新一代步兵戰(zhàn)車,并提高其防護(hù)能力。

1.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

自20世紀(jì)80年代初期開始從仿制到研制步兵戰(zhàn)車和坦克的防護(hù)系統(tǒng),同期開展研制爆炸反應(yīng)裝甲(explosive reactive arrmor, ERA),經(jīng)過(guò)40多年的發(fā)展,與國(guó)外的技術(shù)水平差距逐漸縮小,在有些方面甚至處于國(guó)際領(lǐng)先水平。但是基于步兵戰(zhàn)車作戰(zhàn)用途及重量,其防護(hù)力都屬于基礎(chǔ)級(jí)防護(hù)力,頂部的防護(hù)技術(shù)更是有待進(jìn)一步提高[5]。近年來(lái)借鑒外國(guó)經(jīng)驗(yàn),在已有坦克的基礎(chǔ)上,研發(fā)新型重型步兵戰(zhàn)車及輸送車,既節(jié)約成本又縮短了研制周期,作戰(zhàn)效能得到顯著提升。

2 防護(hù)理論研究

ERA通常采用兩塊鋼板中間夾一層炸藥的結(jié)構(gòu),即“三明治”結(jié)構(gòu),其實(shí)質(zhì)上是一種被動(dòng)式的“化學(xué)爆炸反應(yīng)裝甲”。1984年Mayseless等[6]首先從理論上解釋了ERA抗擊射流的基本機(jī)理,提出“卵石干擾模型”;Held等[7]對(duì)不同條件下ERA干擾聚能射流的能力進(jìn)行研究,結(jié)果表明:夾層炸藥厚度、金屬板的材料特性和厚度以及斜置角度等對(duì)射流干擾顯著,而起爆位置對(duì)射流的干擾則不明顯;吳成等[8]利用數(shù)值仿真對(duì)ERA飛板運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究。以上研究使得人們對(duì)ERA的理論研究飛速發(fā)展并逐漸完善。近年來(lái),隨著雙層ERA的出現(xiàn),使得射流的毀傷效率大幅降低,Held[9]對(duì)帶有單層或雙層ERA夾層的前裝甲、斜裝甲和側(cè)裝甲系統(tǒng)抗擊聚能射流的能力進(jìn)行試驗(yàn)研究,得出ERA抗擊聚能射流的能力與法向角度密切相關(guān),且雙層ERA較單層防護(hù)效果更好;黃正祥等[10]對(duì)雙層ERA作用場(chǎng)進(jìn)行分析和試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)裝甲板斜置角度和雙層楔形角對(duì)爆炸作用場(chǎng)有較大的影響,在一定范圍內(nèi),使作用場(chǎng)作用時(shí)間提高了1.75倍;劉宏偉等[11]對(duì)雙層裝甲干擾射流影響因素進(jìn)行分析,研究了雙層反應(yīng)裝甲與主靶板間的距離、反應(yīng)裝甲組件間距離、雙層反應(yīng)裝甲兩層之間夾角等因素對(duì)射流的影響。

當(dāng)破甲彈撞擊到反應(yīng)裝甲表面時(shí),破甲彈形成金屬射流,反應(yīng)裝甲內(nèi)部所裝炸藥被金屬射流引爆,爆炸時(shí)所產(chǎn)生的爆轟產(chǎn)物以及面、背板的運(yùn)動(dòng)共同對(duì)金屬射流產(chǎn)生強(qiáng)烈的干擾作用,向外飛出的金屬板截?cái)嗑勰苌淞鲝椀?依靠金屬板的恒定作用使射流出現(xiàn)巨大波動(dòng),甚至射流中斷,從而降低射流對(duì)主甲板的侵徹力,射流波動(dòng)程度愈大,其散射范圍就愈大,侵徹能力也就越低,從而大大降低射流對(duì)靶板的侵徹效果[12]。其作用原理如圖1所示,其中vj為局部射流速度;vp為板的速度。

圖1 爆炸反應(yīng)裝甲與破甲射流作用過(guò)程示意圖Fig.1 Schematic diagram of interaction between explosive reactive armor and armor piercing jet

2.1 爆炸反應(yīng)裝甲引爆條件

ERA主要起防護(hù)作用的部分是內(nèi)部的平板藥室,因此其引爆條件取決于平板藥室的引爆條件,需要保證在遭受輕武器射擊或彈片撞擊時(shí)裝藥層不被引爆,只有受到相當(dāng)程度的沖擊時(shí)才能被引爆,且具有足夠的爆速,從而保證面、背板具有一定的運(yùn)動(dòng)速度,因此平板藥室的引爆條件至關(guān)重要。

在二維加載的情況下,高能裝藥的起爆通常采用Held判據(jù):I=u2d,其中u是開坑的速度;d是射彈或聚能裝藥射流的直徑。根據(jù)貝努利方程[13]:

(1)

式中:v為彈丸或射流的速度;ρz為高能裝藥的密度;ρp為射流或彈芯的密度。

設(shè)Icr為裝藥的閥值常數(shù),其值可以通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得。則滿足Held判據(jù)的Icr可表示為:

(2)

式中,vcr為引爆臨界速度。

一般而言,100型標(biāo)準(zhǔn)破甲彈采用紫銅藥型罩,且射流速度在6 800～7 000 m/s,由計(jì)算可以得出,I值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Icr,完全能夠保證平板藥室可靠引爆。

2.2 匹配性選擇

對(duì)于破甲射流,當(dāng)射流侵徹點(diǎn)位于平板藥室的上半部時(shí),面板起主要作用,而當(dāng)射流侵徹點(diǎn)位于平板藥室的下半部時(shí),背板起主要作用。為了使爆炸反應(yīng)裝甲單元的各部分具有較為均衡的抗彈效果,藥室面板和背板的厚度應(yīng)該相等[13]。

由于試驗(yàn)觀察主要靠X射線照片,檢測(cè)不到α角,只能測(cè)出射流受到影響后偏轉(zhuǎn)的角度φ,這兩個(gè)角的關(guān)系如圖2所示。射流與板之間的作用看成完全非彈性碰撞,也就是說(shuō)碰撞后有一個(gè)共同的速度矢量,則射流與板作用后發(fā)生的偏轉(zhuǎn)角α為:

(3)

(4)

用SPSS16.0統(tǒng)計(jì)軟件包對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，3組抗剪切強(qiáng)度比較采用卡方檢驗(yàn)，兩兩比較采用LSD-t檢驗(yàn)；ARI記分采用Kruskal-Wallis H檢驗(yàn)。P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

圖2 面板造成射流偏轉(zhuǎn)Fig.2 Panel causing jet deflection

假設(shè)偏轉(zhuǎn)射流的軸向速度分量vt≈vj,可以得到:

(5)

對(duì)于射流,板厚h的變化,使k與vp發(fā)生變化,從式(3)、式(4)中可以看出偏轉(zhuǎn)角α也將發(fā)生變化。板的運(yùn)動(dòng)速度vp可由Gurney公式來(lái)計(jì)算。對(duì)于面、背板等厚的爆炸反應(yīng)裝甲,Gurney公式為:

(6)

式中:E為Gurney速度平方的1/2,由所用裝藥確定;M為面、背板的質(zhì)量和;ω為裝藥質(zhì)量。

根據(jù)上述理論,重點(diǎn)研究了藥室面、背板厚度配比。分別對(duì)面、背板厚度為1.5∶1.5及2∶2情況下做抗彈性能試驗(yàn),結(jié)果表明,面、背板厚度均為2 mm、裝藥厚度取3 mm為較優(yōu)方案。

2.3 材質(zhì)選擇

由反應(yīng)裝甲的理論研究可知對(duì)于硬度低的材料,當(dāng)射流侵徹時(shí)為沖塞破壞,不容易產(chǎn)生對(duì)射流的干擾顆粒,所以效果較差。因此該組合爆炸反應(yīng)裝甲藥室選用性價(jià)比較高的45號(hào)鋼板。

2.4 尺寸選擇

ERA對(duì)于射流的最大作用是對(duì)射流的有效部分全部進(jìn)行干擾。所謂射流有效部分是指速度在極限破甲速度vcr以上的那部分射流,它對(duì)裝甲有侵徹能力。設(shè)射流有效部分經(jīng)過(guò)反應(yīng)裝甲的時(shí)間為t。同時(shí)從射流頭部到達(dá)反應(yīng)裝甲,其平板藥室面、背板以vp速度運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間Δt,則有[14]:

(7)

當(dāng)平板藥室的長(zhǎng)度太小時(shí),一部分后續(xù)射流不能受到面、背板的作用,使其抗射流效果下降。當(dāng)平板藥室面、背板的長(zhǎng)度過(guò)大時(shí),板的一部分沒(méi)有起作用,同時(shí)平板藥室單元尺寸增大。裝藥爆轟波傳到平板藥室單元邊緣的時(shí)間延長(zhǎng),面、背板開始運(yùn)動(dòng)的時(shí)間推遲,射流頭部將有較多的射流沒(méi)有受到板作用而通過(guò)ERA,增加了對(duì)主裝甲板的侵徹,降低了其抗射流效果。

根據(jù)指標(biāo)要求,該ERA的外形尺寸必須小于245 mm×245 mm×145 mm,依據(jù)有限的空間和雙層藥室同時(shí)發(fā)揮防護(hù)作用的工作機(jī)理,文中優(yōu)選最大允許尺寸的平板藥室,即200 mm×150 mm。

2.5 間隙選擇

增大平板藥室間的飛散間隙,既可以降低ERA的重量又可以提高平板藥室的作用空間,進(jìn)而滿足ERA輕且優(yōu)的性能特點(diǎn)。且依據(jù)該ERA的雙層作用機(jī)理,為了保證反應(yīng)裝甲干擾100型標(biāo)準(zhǔn)破甲彈時(shí)具有兩塊平板藥室作用,平板藥室之間的間隙選用30 mm。

2.6 角度選擇

傾斜破甲是“三明治”結(jié)構(gòu)單元效應(yīng)存在的必要條件。因此傾角大小對(duì)結(jié)構(gòu)單元效應(yīng)有著明顯的影響。一般來(lái)說(shuō),隨著傾角增大,結(jié)構(gòu)單元防護(hù)效應(yīng)增大[16]。為了增強(qiáng)ERA的防護(hù)性能,組合ERA采用多層平板藥室連續(xù)作用方式,以保證每發(fā)來(lái)襲彈藥具有兩塊平板藥室進(jìn)行干擾攔截。綜合權(quán)衡平板藥室防護(hù)的角度效應(yīng)和安裝空間的有限性要求,該ERA的平板藥室選用角度為60°。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

該組合ERA一方面通過(guò)將傳統(tǒng)的平板藥室以“百葉窗”形式組合而成,當(dāng)100型標(biāo)準(zhǔn)破甲彈引爆反應(yīng)裝甲時(shí),同時(shí)會(huì)有兩塊平板藥室進(jìn)行干擾切割,極大增強(qiáng)其防護(hù)效果;另一方面通過(guò)將平板藥室預(yù)制一定角度,增強(qiáng)平板結(jié)構(gòu)藥室的防護(hù)效應(yīng),進(jìn)一步保證組合ERA對(duì)100型標(biāo)準(zhǔn)破甲彈的防護(hù)效果。

驗(yàn)證試驗(yàn)采用100型標(biāo)準(zhǔn)破甲彈靜態(tài)引爆組合ERA,通過(guò)觀察后效基板侵徹深度確認(rèn)方案的可行性,具體試驗(yàn)產(chǎn)品如表1所示。

表1 試驗(yàn)產(chǎn)品及數(shù)量Table 1 Test product and quantity

3.2 試驗(yàn)過(guò)程

組合ERA抗彈性能試驗(yàn)示意圖及現(xiàn)場(chǎng)布置如圖3所示。

圖3 組合爆炸反應(yīng)裝甲防100型標(biāo)準(zhǔn)破甲彈示意圖Fig.3 Schematic diagram of the combined explosive reactive armor defense 100 mm HEAT

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證,總體防護(hù)效果與預(yù)期一致,具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示,試驗(yàn)結(jié)果照片如圖4所示。

表2 組合爆炸反應(yīng)裝甲防100型標(biāo)準(zhǔn)破甲彈試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 Test data of the combined explosive reactive armor defense 100 mm HEAT

圖4 組合爆炸反應(yīng)裝甲防100型標(biāo)準(zhǔn)破甲彈試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.4 Test pictures of the combined explosive reactive armor defense 100 mm HEAT

4 結(jié)論

通過(guò)理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證,結(jié)果表明:100型標(biāo)準(zhǔn)破甲彈射流經(jīng)過(guò)雙層平板藥室的有效干擾切割,對(duì)基板的侵徹能力不大于10%。

該組合ERA能夠在實(shí)心鋼體厚度不大于25 mm、高度不大于145 mm的條件下,有效干擾100型標(biāo)準(zhǔn)破甲彈的攻擊,具有重量輕,結(jié)構(gòu)尺寸小的優(yōu)點(diǎn),對(duì)未來(lái)老舊坦克的改造和新型坦克裝甲車輛的頂部防護(hù)具有良好的應(yīng)用前景,同時(shí)其“百葉窗”組合結(jié)構(gòu)也對(duì)頂部裝甲防護(hù)技術(shù)的研究具有一定指導(dǎo)意義。