电磁装甲防护技术的现状及发展趋势

李治源， 罗又天， 邢彦昌

(军械工程学院弹药工程系， 河北 石家庄 050003)

当前，装甲防护技术随着反坦克武器的发展和战场环境的改变而面临着以下突出问题和矛盾：一方面，现代反坦克武器穿破甲能力有了极大提高，信息化弹药和路边炸弹也能从坦克的四面八方发起攻击；另一方面，为适应快速机动和远程投送的需要，又要求下一代的装甲车辆必须实现轻量化。因此，如何在大幅度降低坦克装甲车辆重量的同时，保持并进一步提高车辆的防护能力，以对抗日益增长的反装甲武器发展，将成为装甲防护技术面临的新挑战。20世纪70年代提出的电磁装甲防护技术将有望实现这一目标。

电磁装甲(Electromagnetic Armor)是利用电能干扰和破坏来袭射弹，来减轻和消除对主装甲的破坏，从而提高装甲车辆防护能力的一种新概念的附加装甲。作为一项新概念的防护技术，电磁装甲由于具有无可比拟的功率密度和响应时间，有望为未来的坦克装甲车辆提供轻型、全向的防护。但也由于其作用机理、试验技术和系统小型化等关键技术尚未突破，目前仍处于理论研究与试验探索阶段，成为各国装甲防护研究的一项重要课题。

1 电磁装甲结构组成与作用过程

20世纪70年代，美国人Walker[1]最早提出使用电能降低爆炸成型装药的破甲深度的设想，利用脉冲大电流汽化、干扰和分散破甲弹的金属射流，从而降低破甲弹的破甲深度。但限于当时对自由表面金属射流磁流体动力学(magnetohydrodynamic, MHD)理论研究不足和相关试验技术条件限制，电磁装甲研究一直停留在概念研究阶段。90年代后期，电磁装甲防护技术的研究才进入一个快速发展时期。

电磁装甲的基本结构如图1所示，在主装甲前放置2块薄的装甲金属板，两板间用绝缘材料隔离，并分别与高储能密度电容器组的正、负极相连接，就构成了电磁装甲模块，当电容器组充电后，由于两板间相互绝缘，系统处于待发状态。

图1 电磁装甲防护系统组成

当反坦克弹药击中被动电磁装甲时，破甲弹的金属射流或穿甲弹的弹芯首先将2块薄金属板击穿，两板间的绝缘被破坏，电容器组储存的电能通过两板和板间的射流或弹芯放电，此时产生的脉冲大电流将会干扰和破坏射流或弹芯，其干扰和破坏的机理目前认为主要有欧姆加热效应、洛伦兹力效应、磁流体动力学作用下的扭曲效应和箍缩效应等。

与传统的装甲防护技术相比，电磁装甲具有以下优点。

1) 重量轻。电磁装甲的防护能力与装甲板的厚度无关，在提供同样防护能力的情况下，电磁装甲重量只有轧制均质钢装甲的30%，甚至更少，这就大大降低了坦克的重量，提高了其机动性和战场生存能力。

2) 成本低。依靠电能而不是材料的特性提供防护，防护板制造成本低；全车共用一套高功率脉冲电源，在一定范围内电源重量不会随着防护面积的增加而增加，其初始能源也由内燃机提供，价格低廉。

3) 防护能力高。电能的响应速度比化学能反应速度高，在一定体积范围内通过电流的能量也大大高于化学能，因此电磁装甲的功率密度比爆炸反应装甲要高几个数量级，大大提高了防护能力。

4) 可重复防护。只要来袭射弹没有造成电磁装甲板的短路，只要对高功率脉冲电源再次充电，就可继续抵御外来射弹的侵袭。

5) 安全性高。电磁装甲系统中不含有炸药和油料等易燃易爆品，在生产、运输和储存等环节的安全性能要更高一些。

6) 与未来的“全电战车”相兼容。随着兵器科学与技术的发展，装配有电磁炮的全电战斗车辆将是坦克装甲车辆的重要发展方向。通过综合能源管理系统将全电武器集中管理与分配，将大大提高脉冲功率电源的利用率，减小体积和重量，并可与信息化系统实现“无缝”链接，形成新一代的武器平台。

但是，电磁装甲也存在很大的局限性。一是能源需求大，为产生脉冲大电流，电磁装甲必须由高储能密度的脉冲电容器组构成高功率脉冲电源来提供电能。虽然目前普遍认为大于300 kA的电流就可以使破甲弹的穿深明显减弱，但要防护现在普遍装备的火箭弹和反坦克导弹，至少需要1 MA以上的电流，此时脉冲电容器的储能至少要达到1～2 MJ。二是尽管有报道电磁装甲可防御穿甲弹，但其作用机理和防护效果还不十分清楚。

2 电磁装甲技术研究现状

2.1 电磁装甲作用机理研究

2.1.1 电磁装甲运动学理论模型

相对于穿甲弹物理模型，破甲弹金属射流模型要复杂得多。一是速度高，不仅头部速度高达8 km/s，杵体速度也达1～2 km/s[2]；二是在射流的径向和轴向上都存在速度梯度；三是射流在爆轰波的作用下，呈现准流体特性。与此同时，电磁装甲板的间距有限，只有当射流将2块装甲短路时，才能形成脉冲大电流，因此电磁装甲的运动学模型是电磁装甲机理研究的基础。

2004年，德国人Wickert[3]首次利用作用时间窗方法分析了金属射流与电流作用时间问题，如图2所示，图中横坐标表示时间，纵坐标表示位移，将破甲弹炸高、电磁装甲板间距、射流速度梯度等参数与脉冲电流波形相互作用时间表现出来，通过该模型可以直观地看出电流对金属射流的有效作用时间，即作用时间窗，从而可以计算出脉冲电流注入金属射流的能量与位置。

图2 电磁装甲电流作用时间窗模型

Wickert提出的作用时间窗方法是针对其试验建立的，只适用于个例，不具有通用性。2008年，陈少辉[4]在作用时间窗模型基础上，建立了通用的作用时间数学模型，并以电流对金属射流微元的最长作用时间为目标，即可求出最优装甲板间距，该结果也通过电磁装甲实弹试验得到证实。

2.1.2 电磁装甲电路理论模型

电磁装甲放电过程是一个R-L-C振荡过程，为了获得最快的上升电流和最大的峰值电压，要求工作电压要高，回路电感和回路电阻要小，而回路阻抗无法用集中参数来描述，必须建立基于分布参数的电磁装甲电路模型。2010年，陈少辉等[5]分别建立了高功率脉冲电源、汇流器、电磁装甲板和射流的电路参数模型，从而精确计算出脉冲电流上升时间和峰值。通过电磁装甲实弹试验的实测电流波形验证了电路模型的正确性，如图3所示，图中红色为仿真电流，蓝色为实测电流。

图3 金属射流穿过电磁装甲仿真图

应用该电路模型，2010年军械工程学院设计了峰值电流上升沿为65 μs电磁装甲试验系统，开展了实弹静破甲试验并获得了期望的脉冲电流波形。

2.1.3 基于电爆炸机理的欧姆热效应

电磁装甲最早提出时的设想就是利用电能的加热效应来干扰和破坏破甲弹的金属射流，在随后的研究中，虽然实弹试验验证了脉冲电流可以有效减小破甲弹的穿深，但根据当时对电能欧姆热效应的研究水平，认为注入的能量不足以影响射流的穿甲行为，因此在随后的二三十年中主要用液态金属的磁流体动力学效应来解释电磁装甲的作用机理。但是随着对脉冲电流欧姆热效应的深入研究，特别是电爆炸理论的不断完善，电磁装甲作用过程中的欧姆热效应电爆炸机理又一次成为研究热点。

Wickert通过理论与试验研究认为：对于直径2 mm的金属射流，在65 μs以内峰值电流达到300 kA时，脉冲电流对金属射流的作用可以用一个电爆炸模型来较好地近似，其电路模型中的电阻抗参数在脉冲电流作用下的变化规模可以用电爆炸导体机理来解释。

卢聘[6]利用电爆炸理论，建立了金属射流的比作用量模型，根据金属射流的作用时间和脉冲电流波形，对金属射流的比作用量进行了计算，分析了电磁装甲系统的电感、电阻、电容和充电电压等电路参数和装甲板间距等结构参数对金属射流比作用量的影响，在此基础上对装甲板间距进行了优化，优化结构与陈少辉[4]得出的结果相同。

2.1.4 基于磁流体动力学不稳定性机理

当射流中流过脉冲大电流时，电流与产生的电磁场相互作用，加速聚能装药射流的变形与断裂。这一现象的基本原理是金属流体中的磁流体动力学不稳定性效应，主要分为扭曲不稳定性和腊肠不稳定性。

Littlefield等[7]假设金属射流为无限长，沿着轴向均匀拉伸，具有极好的塑性，并忽略了热传导、损耗和焦耳加热效应。事实上，由于这种假设忽略了热效应，因此与实际情况不符。之后，Littlefield[8]又研究了考虑热效应、更接近实际的有限电导率情况，并且提到了电热软化作用在磁流体不稳定性中的重要性，给出了金属射流产生磁流体不稳定性的材料属性的边界条件。

普遍认为：金属射流结构尺寸上的缺陷是产生磁流体不稳定性的主要原因，即射流的轴向直线度产生扭曲不稳定性，射流径向尺寸差异产生腊肠不稳定性。苑希超[9]对金属射流控制方程组中的关键因素电磁体积力进行了分析，认为变化的磁压力是产生磁流体不稳定性初始扰动的主要原因，并求出了等效表面电磁压强与时间和半径的关系，通过数值计算，得出了表面电磁压强随相对半径的变化规律。

2.2 电磁装甲数值仿真研究

由于电磁装甲包括力学、流体、电磁和热等多种工况的非线性快速变化过程，相互耦合，作用时间短，难以用解析解来描述和分析，只能用数值计算的方法来仿真分析其作用过程。

2004年，英国国防科学与技术实验室利用2种通用商业化数值模拟工具(AUTODYN和ELEKTRA)对电磁装甲中的破甲弹射流进行了仿真[10]，假设电流位于破甲弹射流表面，利用AUTODYN有限体积技术来模拟电磁压力和破甲弹射流的变形；为了精确预测流过破甲弹射流的电流和磁通密度，ELEKTRA使用有限元方法来解决麦克斯韦方程组的低频部分；为了检验AUTODYN方法的准确性和估算已做假设的正确性，对AUTODYN和ELEKTRA得到的结果进行了分析对比，其结果如图4所示。建议结合使用AUTODYN和ELEKTRA软件。

图4 金属射流穿过电磁装甲仿真结果

为计算电磁炮、电磁装甲等脉冲电流作用下的多场耦合数值解，美国桑迪亚实验室开发了一种计算机仿真软件ALEGRA，它使用拉格朗日、欧拉和ALE算法，可以用来解决二维或三维空间复杂形状物体的多物理量耦合问题。该软件可选择很多变化的物理量，包括流体动力学、有外部电路耦合的磁流体力学、辐射传导、热传导、对偶离子和电子温度等。

2002年，美国桑迪亚实验室进行了三维ALEGRA-MHD仿真[11]，模拟了直径3 mm的铜线，等边弯曲60°注入峰值400 kA脉冲电流后的磁流体动力学现象，同时进行了模拟验证。图5为仿真和试验结果对比。左侧图为磁通密度和磁能分布的等值面分布，右侧图为试验中同一时刻得到的X光照片。仿真结果在形态和断裂时间上均与试验结果相符，同时直观地标出了最大磁能和最小磁能的位置，显示了可视化仿真技术的极大优势。但是仿真软件包由于缺乏处理导体断裂后导电回路切断的能力，因此在断裂处的结果处理上尚显不够准确。

图5 ALEGRA-MHD仿真和试验结果

2008年，美国陆军研究实验室加大了对ALEGRA的投入力度，以实现对电磁装甲中的复杂物理现象建立接近基本原理的仿真能力[12]。图6为得到的电磁装甲仿真图。

图6 金属射流穿过电磁装甲仿真图

2.3 电磁装甲试验技术研究

20世纪70年代末，前苏联拉夫季耶夫流体力学研究所最早开始电磁装甲的研究工作，1975年1月完成了第一批试验，并开始了电磁和强电流对成型装药射流稳定性影响的综合性研究。1998年的公开资料表明：该研究所还致力于脉冲电流作用下的磁流体动力学不稳定性研究[13-15]。

20世纪80年代，美国加利福尼亚的麦克斯韦实验室开始了电磁装甲的理论研究。之后，美军陆军研究实验室的武器技术指导委员会制定了具体研究计划。随后使用30 mm和50 mm直径破甲弹对电磁装甲进行了原理试验(峰值电流450 kA)，对于标准装甲钢，30 mm破甲弹破甲深度从140 mm降到了40 mm，50 mm破甲弹破甲深度从220 mm降低到了80 mm。

2006年，夫琅和费研究所(Fraunhofer-Institute for High-Speed Dynamics, Ernst-Mach-Institute)进行了44 mm口径破甲弹的电磁装甲试验。试验系统如图7所示，2块10 mm厚的铜金属板组成电磁装甲模块，间隔50 mm，中间用塑料支撑隔离。金属板的法线与射流轴线成60°，高压脉冲电容器容量780 μF，工作电压16 kV，电容器组的储能E=100 kJ。

图7 电磁装甲试验系统

在电磁装甲板后放置轧制均制装甲目标板以测量剩余穿透能力。为了便于观察金属射流通过电磁装甲板后的变形情况，在装甲板后预留出了600 mm的距离以拍摄射流的X照片，使用一个3通道的X射线管每隔20 μs触发一次。通过加电与不加电的对比试验表明：加电后的试验，射流变形明显，特别是在100 μs时分散得最快，3次试验中射流的穿透能力明显下降，即使考虑破甲弹破甲深度散布的影响也是如此。

美军陆军研究实验室和陆军坦克动力研究发展与工程中心从2000年开始了紧凑型高功率脉冲电源设计和电磁装甲试验工作，设计和研制了电磁装甲试验平台及电磁装甲试验模块，如图8所示。

图8 美国电磁装甲试验模块

2008年，瑞典防护研究机构和Grindsjǒn(防护安全系统和技术部门)研究中心(Swedish Defence Research Agency, Defence & Security Systems and Technology Division, Grindsjǒn)为了研究金属射流的破碎现象，对电流流过的静态铜杆进行了试验[16]。在所拍摄的X光照片中可以清楚地看到，洛伦兹力明显把铜杆推向了右侧。这一推力可能给金属射流一个侧向速度，这将会阻碍金属射流像以前一样打击在同一点，也就是说拖尾效应使金属射流覆盖了更大的目标表面，从而使得侵彻能力下降。

2007年，荷兰的应用科学研究院弹道研究实验室在2种成型装药的实弹射击中对电磁装甲的潜力进行了评估。测量结果显示：由于电流的存在，导致金属射流不稳定性增强，从而降低了其侵彻能力[17]。

1999年，兵器工业某研究所在国内首次进行了电磁装甲原理试验，试验选用若干个5 kV、183 μF的电容器组成电容器组，使用铝作为装甲板，间隔350 mm，通过对比试验，验证了电磁装甲原理的正确性。

自2000年起，军械工程学院开展了电磁装甲理论、仿真与试验研究，不断完善和改进了试验系统，优化了装甲板间距，掌握了电磁装甲电参数、结构参数的设计准则和优化方法。

2.4 电磁装甲军事应用研究

国外在开展理论研究的基础上，适时开展电磁装甲应用研究，重点研究电磁装甲与装甲车辆的综合集成技术、高功率脉冲电源和安全性与电磁兼容技术研究。

2003年9月，在英国伦敦举行的车辆生存能力会议上，英国政府所属研究机构国防科学与技术实验室公布了安装在“武士”步兵战车上的电磁装甲试验录像，如图9所示。试验显示：安装在“武士”步兵战车侧面的电磁装甲受到火箭弹多次打击，但所有破甲弹射流在击穿车体主装甲之前就被电磁装甲减弱了，对车体外部结构造成的损伤也非常小。据国防科学与技术实验室透露，这种电磁装甲系统总质量只有3 t，而提供的防护效果却相当于在装甲车辆上加装10～20 t装甲钢，目前英国正在考虑将电磁装甲技术应用到“未来快速反应系统”。

图9 英国电磁装甲试验

2005年2月22日，美军陆军研究实验室和陆军坦克动力研究发展和工程中心完成了电磁装甲模块与混合电驱动战车的一体化研究。在马里兰州阿伯丁试验场进行了实弹射击试验，如图10所示，在现场射击试验中安装在混合电驱动演示战车上的电磁装甲模块成功抵御了多枚来袭弹药，证明电磁装甲具有抗多次打击能力。

图10 美国电磁装甲试验

2010年，军械工程学院在前期理论与试验研究的基础上，研制了电磁装甲集成模块，为电磁装甲工程化试验奠定了基础。

3 电磁装甲防护技术发展趋势

通过近几十年的电磁装甲防护技术研究，其理论、仿真和试验技术都有了长足的进步，但也不可否认，电磁装甲要走出实验室、实现工程化的军事应用还有相当长的一段路。笔者认为，应从以下方面开展相关工作。

3.1 深化作用机理，探索防护穿甲弹机理

多年的研究结果表明：电磁装甲能有效防御破甲弹的金属射流。但至今尚未实现军事应用的主要原因是缺乏防护穿甲弹的机理与试验研究，尽管穿甲弹的速度低于破甲弹的金属射流，但其弹芯直径大、材料强度高，必须深化电磁装甲的作用机理，重新优化设计电磁装甲的参数，使得其既能防护破甲弹，又能防护穿甲弹，这样才能推动电磁装甲的军事应用进程。

3.2 强化系统集成研究，为工程化样机研制提供基础

与传统防护系统相比，电磁装甲具有系统总重量轻、能有效对抗破甲弹和抗多次打击的能力。但要发挥其防护作用，还必须与基础装甲集成在一起，解决绝缘与支撑、综合布线和电源集成等工程问题，因此强化系统集成研究将是电磁装甲的发展重点之一。

2009年3月举办的电磁装甲欧洲研讨会结束后，欧洲防务局(European Defense Agency, EDA)启动了装甲车辆电磁装甲项目研究，重点开展电磁装甲的综合集成研究，并在2010年6月提交的报告中介绍了分别基于履带和轮式重型装甲车辆的电磁装甲系统及电磁装甲模块设计图，如图11所示。并向EDA各成员国推荐以征集合作研究对象。

图11 EDA的试验车和电磁装甲示意图

3.3 加强电磁兼容与高电压安全性研究，为装备发展提供依据

对于坦克装甲车辆来说，其车体、炮塔或底盘作为电源地、信号地和安全地[18]。但电磁装甲在高电压、大电流和强磁场环境下工作，即使接地端存在毫欧级的电阻，也将会产生上千伏的电压，同时强磁场也会通过车体耦合到车体内部。因此电磁装甲的安全性和电磁兼容性是其军事应用的关键技术之一。

为此，欧洲防务局已经开始研究电磁装甲使用安全性准则，包括建立电磁装甲的运行、维护、培训和储存等方面的安全和风险评估方法，评估与电磁装甲性能相关的通用功能和固有危险以及这些危险可能产生的影响，建立识别潜在危险的安全评估过程，制定安全标准等。并制定了相应的研究计划。 2013年英国国防科技实验室将电磁装甲模块安装在FV432装甲车，对其开展了电磁兼容性测试，如图12所示。

图12 对电磁装甲模块进行电磁兼容测试

3.4 拓展应用领域

虽然电磁装甲是围绕装甲车辆的防护而诞生的，但随着其机理与试验技术成熟后，也将应用于其他军事平台的防护，如地下重要目标防护穿地弹，此时高功率脉冲电源的体积和重量将不会受到限制。同样，舰船上也有足够的空间安装脉冲电源。也可用于空间目标的防护，特别是针对超高速(3～10 km/s)，小尺寸(毫米级)的太空垃圾，电磁装甲将能充分发挥其响应速度快、功率脉冲大的优点，如2009年俄罗斯应用机械与电驱动研究所利用电磁装甲原理进行了航天器的电磁防护试验[19]。利用带有金属丝的电磁装甲板模拟了对轨道碎片的防护过程。可以预见，电磁装甲下一步将会在各类武器平台上开展试验与应用研究。

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