教学材料《车辆》-第4章

俄罗斯全俄钢研所发明了由多个相互连接盒单元构成的反应装甲，可有效抗破甲弹和穿甲弹，这就是反应装甲的起源。这种盒单元的特点是:四个侧壁采用声阻抗变化的三层或四层复合材料，即从接触炸药的侧壁层开始，每相邻两层材料的声阻抗之比不小于2，从而衰减和消耗了爆炸冲击波，使相邻的盒单元不会发生殉爆。反应装甲逐渐发展为包括爆炸反应装甲、无炸药爆炸反应装甲、盒形反应装甲和隐身反应装甲四大类，下面将一一进行简述。4.1.1爆炸反应装甲最新的装甲科技“爆炸反应装甲”(ERA)是以色列开发出来的，装置在以色列的坦克和美制巴顿坦克上，曾在1982年以色列入侵黎巴嫩时使用过。到了1985年左右，苏联制造的T62、T72和T80坦克的前面、两侧和炮塔都开始采用这种爆炸反应装甲。苏联坦克本来就采用可以抵挡高爆反战车弹的复合装甲，这时又加装爆炸反应装甲，几乎足以抵挡当时所有的反坦克导弹。4.1反应装甲下一页返回爆炸反应装甲看起来有点像是小孩子的玩具积木，而且通常是加装在装甲车辆的正(前)面，它的作用是:当反战车炮弹击中一块爆炸反应装甲时，撞击力会引爆装置在两块钢板之间的炸药，炸药的爆炸威力会把外层的那层钢板往外推，撞向高爆反战车弹的喷流，而内层的钢板则会被爆炸力推向坦克外壳，然后反弹回来，影响这时已经穿破外层装甲、力量减弱的喷流。反坦克穿甲弹必须穿透外面和内面的这两层外装装甲后，才能击中主装甲，所以它的攻击力道会被连续这两块移动的装甲所吸收，最后将没有足够的力量穿透坦克的主装甲。但是爆炸反应装甲也有严重的缺点，爆炸反应装甲抵挡锥形装药炮弹的效果，必须视装甲斜度而定。如果是苏联T72坦克，它的效果和装甲斜度几乎成正比。如果T72的装甲斜度是68°，爆炸反应装甲可以抵消锥形装药炮弹75%的能量，但零斜度的爆炸反应装甲则只能化解约10%～15%的高爆反战车弹威力。4.1反应装甲上一页下一页返回所以专家们很快就发现，由上向下对坦克发射炮弹的“顶部攻击法”，是打败这种最新装甲科技的方法之一。即使使用爆炸反应装甲完全包住坦克的炮塔顶部，进行“顶部攻击”的弹头仍然可以由上向下，以零角度击穿炮塔，坦克所能得到的保护效果还是相当少。ERA只是徒然增加坦克的质量而已。瑞典的“比尔”反坦克导弹和美国的拖式二B反坦克导弹，都可以进行这种顶部攻击方式。对付爆炸反应装甲的另一个方法是使用“纵列弹头”炮弹。先使用一个小弹头引爆爆炸反应装甲的炸药包，主弹头接着再炸穿坦克的主装甲。美国最新型的“地狱火”反坦克导弹就采用这种双弹头设计。俄罗斯甚至设计出一种三弹头、125mm的高爆反战车弹，据说可以射穿西方国家最新的坦克装甲。另外还有一种长杆穿甲弹也能够引爆爆炸反应装甲，不过跟小体积的高爆反战车弹不一样的是，由于长杆穿甲弹的体积太大，爆炸反应装甲的薄钢板根本承受不住，所以爆炸反应装甲只能吸收长杆穿甲弹少部分的穿甲力。4.1反应装甲上一页下一页返回后来设计第二代爆炸反应装甲时，所采用的是厚钢板，为的是想把长杆穿甲弹“剪”成两半，但这种厚钢板的爆炸反应装甲虽然能够有效对抗长杆穿甲，但对抗高爆反战车弹的效果却大为降低。使用爆炸反应装甲还有两个问题:①它只能发挥一次保护作用。坦克上的某处爆炸反应装甲一旦被击中，这处装甲就再也没有爆炸反应装甲可以保护(除非立刻再装上爆炸反应装甲)。②徒步的步兵无法保护有爆炸反应装甲的坦克，因为爆炸反应装甲引爆后会喷出大量碎钢片，附近的友军都会遭殃。4.1.2无炸药的反应装甲美国原FMC公司发明了一种无炸药的被动式箱形反应装甲单元。其特点是，在一个单元中设置若干飞板层，它们由许多独立的飞板(嵌入反应装甲单元的小钢块)构成。当穿甲弹或破甲弹射入该单元时，飞板被烧蚀和破碎，从而干扰和破坏射弹的侵彻能力，这种箱形反应装甲单元质量轻，体积小，用于保护装甲车辆的倾斜前端、尾端以及两侧。4.1反应装甲上一页下一页返回4.1.3盒形反应装甲美国陆军发明了一种对付弹芯的盒形反应装甲单元，其特点是，把一个爆炸反应构件以隔板方式安装在该盒腔的中部。该构件面板的下侧边铰接在盒下壁上，其上侧边为不固定的自由边。该构件背板的上侧边铰接在盒上壁上，其下侧边为不固定的自由边。当长杆弹芯穿透盒外壁进入该爆炸反应构件时，其中的炸药爆炸，使该构件的面、背板以铰接固定边为轴心向相反的两个方向做旋转运动，对弹芯产生一个扭转力矩使其偏离侵彻方向和破碎。4.1.4隐身反应装甲美国陆军研制了一种内装多个爆炸反应构件的箱形反应装甲单元，其特点是:外箱全部用玻璃/环氧复合材料制成，或者外箱的顶板用该复合材料，其余部分则用钢制造。4.1反应装甲上一页下一页返回玻璃/环氧复合材料的平均密度为2.20g/cm3，平均弹性模量为0.317×106kg/cm,可使外箱的刚性、耐用性和质量达到最佳化。S2玻璃/环氧复合材料外箱顶板和一薄层磁性吸波材料相复合，可吸收雷达波，防雷达探测，避免使用射频制导的弹头的攻击。4.1反应装甲上一页返回下一页电磁装甲的研究工作始于20世纪70年代末，在俄罗斯流体动力学院进行，80年代在美国加州马克斯维尔实验室继续进行。电磁装甲有两块相隔一定距离的板，一块板与高压电容器组件相连接，另一块板接地。当受空心装药攻击，射流穿透两块板时，射流犹如板之间的开关并激发释放电能，引起强电流涌动通过射流，在射流中造成磁力不稳定性，导致射流破碎并大大降低其侵彻能力。4.2.1主动电磁装甲它的研究工作始于20世纪80年代中期，在法国德圣路易研究学院进行，1995年进入大规模试验阶段。该装甲本身不会被弹丸激活，而是需要先探测近距离有无来袭长杆穿甲弹或导弹，一旦探测到威胁来临时，由一套计算机控制装置将电路开关闭合，从电容器组件向感应型板发射器的扁平线圈发送强涌动电流。使板发射器在弹丸或导弹的来袭方向发射一块板与之碰撞，造成长杆弹丸破坏或至少偏转，导弹破坏或引爆。4.2电磁装甲下一页返回上一页主动电磁装甲中主要用了电磁发射技术，即电磁加速技术。主动电磁装甲的基本结构包括探测器、处理器、储能器、转换器及防护元件等几部分。基本原理示意见图4一1。工作时由探测系统探测一定范围内来袭物的所有必要数据，由数据处理系统处理并认定来袭物，作出相应的动作指令，由发射系统发射干扰物以拦截或干扰来袭弹，达到防护目的。1.电磁发射系统电磁发射系统主要利用电感线圈，根据磁感应定律，产生相斥电磁场使防护元件加速。目前法国德圣路易研究院研制的电磁发射装置，可发射平板、网络板、复合结构杆等，并可控制抛射速度、方向及其稳定性。法国德圣路易研究院所采用的电磁发射装置可将100mm×100mm×10mm的装甲钢板加速到大约300m/s的速度。其电容器组由1个I00kJ（共400kJ）、最大充电电压35kV的模件构成，4.2电磁装甲上一页下一页返回每个模件包括了6个27μF的电容器，能量利用率近16%,即储能0.25MJ时，获动能约0.05MJ。2.主动电磁装甲的基本结构主动电磁装甲系统的工作原理有些像智能弹药，包括探测器、处理器、蓄能器、转换器和发射防护元件等几个部分。(1)探测器探测器是电磁主动装甲系统的“眼睛”。电磁主动装甲防护的有效性主要看它对一定距离内入侵弹丸的探测能力。采用现代多模探测器技术能够实现对100m距离动能穿甲弹的探测。目前，ISL研制的立体探测系统能够在装甲防护局部区域内形成一个探测光栅网。ISL还针对局部区域内的被动探测、脉冲雷达探测、快速图像处理技术、红外摄像仪的战术要求和新的雷达概念等进行了研究。4.2电磁装甲上一页下一页返回(2)处理器处理器是主动装甲系统的“大脑”，它必须能够发现至少100m距离、速度在I600m/s～2000m/s范围的穿甲弹目标，并精确预测其后期飞行阶段的交互作用点，选择发射相应防护元件，还必须能够将那些不重要的弹药过滤出来。目前ISL研制的主动装甲，不但可以防直接入侵的动能穿甲弹弹芯，而且可以防来自空中的导弹战斗部。X射线照片显示，主动防护装甲板使入侵弹丸破碎、偏转，剩余弹芯翻滚，最后以很大偏航角着靶，大大降低了侵彻力。即使是主动装甲板的边缘部分也会使弹芯侵彻能力显著下降，弹靶相互作用机理的研究对主动装甲设计很重要。(3)蓄能器蓄能器是主动装甲的“肌肉”，这方面还存在很多研究难题。毫无疑问，蓄电能量对于防护元件实现电磁加速来说是最重要的。根据ISL的试验数据对发射能量进行预测，4.2电磁装甲上一页下一页返回如果防护元件全尺寸质量为10～20kg，电能效率为20%，防护元件被抛射速度为100～300m/s，那么需要的蓄电能量为4.5MJ。(4)转换器转换器是电磁主动装甲系统的“反应器”关键环节是触发器的精确性、可再现性和可靠性。(5)防护元件防护元件是“盾牌”，依靠电磁感应线圈发射器抛射出去。ISL认为，防护元件最好采用复合式结构，即除了均质装甲板外(上部)，还可采用“三明治式的反应夹层”(中部)和金属板之间采用玻璃纤维增强塑料的“夹层”结构(下部)。ISL研制的电磁发射器不但能够发射平板、网格板、复合结构板，而且能够控制抛射速度、方向和旋转稳定，是电磁主动装甲的关键技术。4.2电磁装甲上一页下一页返回3.电磁发射技术电磁发射技术是电磁主动装甲中的关键环节，为有效拦截正面攻击的动能穿甲弹和来自空中进行顶部攻击的反坦克导弹，要求其能够针对不同情况选择发射不同防护元件，还要同时能控制被抛射防护元件的速度、方向和稳定性，以获得最佳的拦截效果。(1)发射平板元件平板电磁发射器是电磁主动装甲的标准结构，主要用于拦截动能穿甲弹。它利用横置的电感线圈，根据磁感应定律，产生相斥电磁场使平板防护元件加速。为了能覆盖更多的防护表面，可以把这种发射器组合在一起。抛射元件可以是单块装甲板，也可以按时间间隔对两块或多块装甲板进行加速。(2)发射网格板网格结构的防护板元件很难实现用炸药加速，但是用电磁发射器加速很容易实现。4.2电磁装甲上一页下一页返回网格几何形状几乎不受限制，如多角形、圆形网格以及各种组合结构都可以被加速。由于网格板的质量低，可以实现高速抛射，适用于对抗来自空中带有近炸引信的战斗部。(3)控制抛射速度和方向控制被抛射防护元件的速度和方向是电磁发射器的一项基本性能。其基本原理是，用若干绕组构成电磁感应器主线圈，将它们相互偏置定位，对其中某一个绕组或者几个绕组进行控制。例如，当绕组A通过电流时，防护元件就朝A方向运动，其他绕组的控制方向可依此类推。(4)被抛射元件的旋转稳定如果被抛射的防护元件运动距离超过其自身直径的5倍，且其运动轨迹是一系列平行的平面，就必须考虑通过旋转使其稳定。旋转稳定电磁发射器含有六个三角形电磁感应线圈，以一定角度配置，能实现电磁力的非对称性，除了可以对抛射元件施加轴向力外，还可以产生旋转作用力。4.2电磁装甲上一页下一页返回试验结果已证实，可以保证抛射距离达到其自身直径20倍的装甲元件的飞行稳定性。4.2.2被动电磁装甲1.电磁扰动式装甲(1)基本结构这类装甲的基本结构为两块用做放电的电极板，板间距根据需要而定，以保证射流或杆式弹穿过时能引起放电为准。两板分别与电容器组两极相连接，容器组充电后，两极板处于高压状态，当破甲弹射流或长杆弹穿过极板时，在射流或弹丸中有强电流通过，引起电路放电。基本结构见图4-2。(2)基本原理在射流或长杆弹穿过两块极板时，形成电容器组的短路放电，因而有强电流从连续的破甲射流或长杆弹中通过。4.2电磁装甲上一页下一页返回根据电磁学及电动力学有关知识，这种脉冲电流流经射流或长杆弹时，受到洛伦兹力的作用和其他形式的干扰。尤其破甲射流自身沿轴向的速度梯度的存在和直径方向不均匀性，在受洛伦兹力作用后，除受径向压力外，在其“颈缩”区即刻产生沿轴向的拉力，而在“颈扩”区产生沿轴向的压力，其结果加速了射流的断裂失稳。而在射流通过第二块极板后，电流消失，伴随的作用也消失，使其处于一种完全“松弛”的状态，这一过程也对射流造成干扰，导致侵彻能力下降。对长杆弹而言，情况类似。当电流通过弹丸时，还会对其产生脉动和膨胀不稳定，降低其侵彻能力。2.电磁轨道式装甲(1)基本结构该装甲的基本结构见图4一3，包括用做轨道的两极板，极板不宜太薄，极板间距不宜太小，两极板与电容器相连接形成待放电式电路，充电后处于高压状态。4.2电磁装甲上一页下一页返回(2)基本原理基本原理见图4一4。在弹丸穿过两极板(相当于轨道)时，形成一电流通路，此时电流流过射流或长杆弹，而这时又处于两极板(轨道)的磁场中，根据电磁学理论，此时将受到一横向力的作用，使其运动，在极板、靶板的综合作用下，将引起射流或长杆弹丸的弯曲、断裂，起到防护作用。4.2电磁装甲上一页返回下一页4.3.1电热装甲电热装甲与最初的电磁装甲相同，也由一副金属板组成，一块板与电容器组件相连接，另一块板接地。不同的是，它的金属板小，并且由较薄的绝缘材料层而不是由相当大的空气间隙隔开。当空心装药射流或动能穿甲弹丸穿过一副板时，在一块板与另一块板之间产生电流涌动，使得绝缘层急剧膨胀，将板抛离，随后电热装甲自身激活以对付射流或穿甲弹丸。1.基本结构这类装甲的基本构造包括两块电极板，极板间距不大，中间充以绝缘介质以及电热装甲系统，见图4一5。2.基本原理其基本原理见图4一6。当破甲射流或杆式动能弹穿过电极板时，开始放电，并在射流或杆式弹中有强电流通过，这时绝缘层将急剧膨胀，使板抛离，而后电热装甲板自身触发以干扰射流或穿甲弹丸。4.3其它装甲下一页返回上一页4.3.2电磁线圈式装甲1.基本结构其基本结构见图4-7，包括感应线圈、感应线圈托盘、驱动盘、防护板等。2.基本原理其基本原理见图4-8。在弹丸来袭时，由感应线圈的强脉冲电流，在推力(线圈)板中产生一涡漩电流，其方向与感应线圈中的电流方向相反，由有关电磁定律知道感应线圈将对推力板产生一推力，而推力板紧靠防护板，所以推动防护板一起运动，若能量足够，则可达到干扰来袭弹丸的目的。4.3.3灵巧装甲灵巧装甲也是一种新概念装甲。当该装甲受到弹药威胁时，可通过传感器、控制器、微型动力装置主动改变弹丸或射流的运动方向，使基体装甲免遭破坏。当威胁消失后，灵巧装甲系统将恢复原始状态。4.3其它装甲上一页下一页返回一旦灵巧装甲出现局部裂纹或崩落，还可通过控制系统修复，使装甲保持完整。近年来，美国陆军科研处专题小组开始对灵巧装甲进行研究，其重点是装甲抗弹机理和初步设计。可行性研究研究表明，通过在装甲内部嵌入微型动力装置控制拉应力，或者使灵巧装甲系统偏转一定角度，都可以改变弹丸的运动方向，从而保护基体装甲不被破坏。此外，弹丸着速一般为l000m/s左右，而装甲材料内的弹性波传播速度却高达13000m/s，因此，使用快速响应传感器和灵敏微型动力装置，将有充足的时间对侵彻弹丸威胁作出响应。灵巧装甲应用的关键是研制适用的传感器和微型动力装置，以保证装甲快速响应和及时自行修复。它的传感器极其灵敏，可在数微秒内作出响应，并能精确测定弹丸着速和着靶时的撞击方向。其微型动力装置具有高度灵敏性。将来技术可行时，尺寸缩小到10～50μm时，微型动力装置便可作为装甲的一个组成部分装入其中。4.3其它装甲上一页下一页返回微型动力装置可使用灵敏材料制造，例如压电陶瓷材料、陶瓷电致伸缩材料、形状记忆合金等。随着硅应用技术的发展和微切削加工能力的提高，使得灵巧装甲使用微型静电电机作为微型动力装置成为可能。其基本原理是通过施加一个电场，静电电机可将电能转变成机械能，例如产生一种压应力，以消除弹丸撞击时装甲材料内部产生的拉应力，达到改变弹丸运动方向的目的。抗弹机理研究的代表是美国陆军科研处专题小组，它通过微型动力装置、冲击波发生器、电流变流体的应用，对灵巧装甲的抗弹机理进行了研究。主要研究有:1.微型动力装置应用研究如果在11cm厚的陶瓷靶表层下沿靶板长度方向安置1000台微型动力装置，便可制成灵巧装甲，当钢弹芯在平面应变状态下撞击陶瓷靶时，在每一微米的长度方向上可产生0.28kgf(1kgf=9.80665N)·这足以改变弹丸的运动方向。4.3其它装甲上一页下一页返回2.冲击波发生器研究为了对付串联战斗部，他们研制了一种可作为灵巧装甲微型动力装置的冲击波发生器。在选定的复合装甲层内预制出多个微型气泡，将冲击波发生器置于其中。灵巧装甲的传感器可将所探测到的有关弹药数据迅速输入控制器，由控制器官动相关微型气泡内的冲击波发生器，在所要求的方向上产生定向冲击波，主动改变金属射流的运动方向。3.电流变流体研究当施加一个电场时，电流变流体可变成固态或半固态，并能承受高剪应力。灵巧装甲可用这一特性防来袭弹丸。灵巧装甲以特定角度连接在坦克上，连接部位则是用电流变