透明装甲材料在自行高炮顶部防护上的论述

赵 勇, 张一智,李 坤

(1.炮兵防空兵学院郑州校区，河南 郑州 450052；2.郑州大学 国际学院，河南 郑州 450052 )

自行高炮主要担负掩护机械化部队行军、集结、展开和进攻作战，遂行机动防空任务，是空袭方实施对地攻击前的首要打击目标。由于受到机动能力、制造成本等限制，国内自行高炮在设计时只要求乘员四周具有防100 m距离射击的7.62 mm普通步枪子弹能力。在现代高技术战场上，随着空袭与反空袭技术的发展，自行高炮不仅面临传统的地面反坦克武器和步枪子弹、地雷等威胁，还面临来自空中平台和地面火力武器发射弹药对其顶部的攻击。因此，对其自身防护能力特别是顶部的防护能力提出了新的要求。

1 自行高炮顶部防护需求

1.1 自行高炮顶部面临的威胁

在现代战争中，低空、超低空轰炸是打击地面机械化部队的有效手段之一，为此敌方往往首先在防空火力杀伤区外发射空地和反辐射导弹、反坦克导弹等空袭弹药对地面防空武器进行定点式打击，或者利用远程地面大口径火炮发射炮弹或末敏弹摧毁自行高炮等防空力量，夺取制空权，然后对机动或集结中的机械化部队实施密集轰炸。对于制导、末制导、末端敏感以及智能攻顶弹药而言，目标特征的提取至关重要，目标的探测、识别和锁定是对自行高炮实施攻击的前提条件。从目前常见的探测、制导体制来看，自行高炮顶部的搜索雷达天线、跟踪雷达天线电磁波特征明显；动力舱舱盖、排气百叶窗、火炮自动机等部位红外特征明显；火炮身管、导弹发射架、稳定跟踪平台等外形特征明显。与坦克、步兵战车等装备相比，自行高炮顶部目标特征明显，使其更易被精确定位和攻击。由于自行高炮具有良好的机动性、烟幕掩护和在近距离上直接毁伤空袭弹药的能力，加之空袭弹药受到其制导精度的限制，自行高炮直接被命中的可能性较小。空袭弹药主要是利用近炸引信使其战斗部在自行高炮附近爆炸，利用爆炸产生的破片和冲击波毁伤自行高炮顶部的雷达天线等设备。因此自行高炮顶部面临的主要是空袭弹药在自行高炮附近爆炸产生的高速破片和爆炸冲击波的威胁，毁伤模式主要有击穿、烧蚀、撕裂、变形和脱落等。

1.2 自行高炮顶部防护现状

近年来国外新研制的自行高炮中加强了顶部防护设计，例如意大利“天龙座”自行高炮，在炮塔后方设计有跟踪雷达的装甲保护舱[1]；斯洛伐克“布雷姆斯”弹炮结合防空武器在车体和炮塔上设计了整体式防弹观察窗，并且炮塔顶部的光电装置可伸缩[2]；俄罗斯“通古斯卡”自行高炮为身管加装了防护罩[3]；乌克兰Kentavr弹炮结合防空武器为导弹加装了防护箱，并且雷达可收回到炮塔后部[4]。国内自行高炮顶部的搜索雷达、跟踪雷达、红外热像仪、电视摄像机、激光测距机、车长镜和炮手观察镜等暴露的部件均是自行高炮的关重件，缺少装甲防护。文献[5]对某破片式导弹攻击25 mm自行高炮的毁伤概率进行了仿真，结果表明暴露在炮塔顶部的火力和单炮搜索雷达系统被毁伤的概率最大。

随着自行高炮顶部威胁的不断增加，为满足自行高炮顶部设备和乘员安全以及对战斗环境全视野观察需要，参照相似装备防护要求，自行高炮对透明装甲的具体要求是：光学窗口具有较好的可见光和红外光学透明度，透光率应大于80%，电磁波功率传输系数大于90%，能防7.62 mm普通枪弹和高速炸(炮)弹碎片、并具有抗多次打击能力，具有良好的环境耐久性和耐低速冲击性能，质量小、厚度薄，较高的效费比。目前防弹玻璃、透明陶瓷装甲材料和透波纤维复合材料，在轻型军用车辆、坦克装甲车辆等领域有较好的应用前景，笔者主要针对这三类抗弹装甲材料在自行高炮顶部防护领域的研究及应用进行论述。

2 防弹玻璃特性及应用

防弹玻璃通常是将浮法玻璃材料层用聚乙烯醇缩丁醛粘接，并用聚氨酯将浮法玻璃与背部的聚碳酸酯或聚甲基丙烯甲酯外层粘接。根据防弹理论，用相同材料制造的防弹玻璃，厚度对防弹能力的影响最大，材料承压能力的增加与厚度呈指数关系，但随着厚度增加，透明装甲透光率降低、光学畸变将会增加，在实际应用中，存在面密度大、质量大等不足。

防弹玻璃在地面车辆的挡风玻璃、侧窗以及武器护盾等领域得到大量推广应用。例如，美国陆军根据伊拉克和阿富汗的作战需要，在装甲车辆炮塔的周围安装了一系列向外倾斜约25°的防弹玻璃，可以为车长和炮长提供保护。在自行高炮防护领域，防弹玻璃除了可以应用于驾驶员、炮手、车长等乘员观察窗防护之外，还可用于制作驾驶员开舱驾驶防护罩、连指挥车机枪手的防护盾和导弹挂架防护罩等。随着透明装甲技术的发展，对减重的要求日益迫切，国内外正在积极研发防护性能更强的透明陶瓷，取代防弹玻璃用作透明装甲面板。

3 透明陶瓷装甲特性及应用

在透明装甲系统中，透明陶瓷装甲具有高硬度、高强度、高韧性、低密度，即“三高一低”的特性。文献[6]指出，透明抗弹陶瓷应具有抗弯强度70 MPa、维氏硬度5 GPa、全透光率>90%的性能。

3.1 透明陶瓷装甲的结构

透明陶瓷装甲一般采用3个功能层，第一层通常为硬度较高的透明陶瓷面板，用于破碎弹头或使其变形；中间层夹有柔性隔离层，以逐层添加的方式提供附加的防护能力，缓解由热膨胀错配造成的应力，并防止裂纹扩展；最后一层为韧性较高的聚合物，用于吸收弹丸和面板碎片的残余动能。影响透明陶瓷装甲防弹性能的因素主要有陶瓷装甲的结构形式、陶瓷材料性能、形状和尺寸等几个方面。陶瓷装甲面板和背板的厚度等对透明陶瓷面板的抗弹性能有较大的影响，在给定面密度的情况下，面板和背板厚度比的优化[7]为

tc/tb=ρb(r-rp)/[2A-ρc(r-rp)]

(1)

式中：tc，tb和ρc，ρb分别为陶瓷面板与背板的厚度和密度；A为复合装甲面密度;rp为弹体半径,大多数情况下，r≈0.8(rp+2A/ρc)。

计算表明面板和背板的厚度比、面密度比和密度比均存在最优值。

3.2 透明陶瓷的抗弹性能

透明装甲的陶瓷面板作为主要的抗弹单元，其性能直接影响着陶瓷装甲的抗弹能力。常用的透明抗弹陶瓷面板材料主要有浮法玻璃、单晶氧化铝、铝酸镁尖晶石和氮氧化铝，其性能如表1所示，表中,HV、E、KIC、ρ分别代表材料的显微硬度、弹性模量、断裂韧性和密度。

表1 典型透明陶瓷基本性能

陶瓷类材料的防弹性能通常由弹能耗散能力(也称D值)来表征[8]，D值越高，材料的弹能耗散能力越强，抗冲击性能也越好。D值的定义为

(2)

为了更加直观感知弹能耗散能力的大小，通常将某种材料D值与浮法玻璃D值的比值定义为弹能相对耗散系数Drel，计算结果如表2所示。从表2中可以看出，铝酸镁尖晶石的Drel最高，抗弹性能最好。

表2 弹能相对耗散系数

3.3 透明陶瓷装甲的应用

单晶氧化铝是传统的光学窗口和导弹罩制作材料，从生产和应用的角度看，单晶氧化铝陶瓷是目前最成熟的透明陶瓷。但是由于单晶氧化铝具有各向异性，导致难以制备和加工，成本较高，在一定程度上限制了它的应用。镁铝尖晶石透明材料具有立方结构，光学各向同性，具有良好的抗冲击性能，具有低成本和加工简易的明显优势。氮氧化铝比单晶氧化铝陶瓷更容易制得大尺寸部件，而且用传统的陶瓷制备技术就可以制得形状复杂的透明部件，具有低成本优势，因而成为最具潜力的新型透明陶瓷材料，美国已将氮氧化铝多晶陶瓷列为21世纪重点发展的光功能透明材料之一。

透明陶瓷在装甲车辆防护上获得了广泛应用，如美国正在研究用透明陶瓷材料作为装甲车辆的视窗以及用在潜望镜等部件上，斯特赖克装甲车在车长舱盖上方增加了一块透明陶瓷装甲板，增强了车长出舱指挥时的防护能力。某自行高炮三光合一跟踪镜如图1所示，红外、电视跟踪镜，激光测距机，车长、炮手镜等设备为使光学仪器免受尘埃、湿气或霉变的侵蚀及机械碰伤，均加装有保护玻璃。保护玻璃常用材料有冕玻璃、单晶硅和单晶锗等，采用矩形平面保护窗口与平面弹性垫密封结构形式，存在抗弹能力和抗多次打击能力弱等问题，随着现代战场环境的变化和技术的发展，对光学保护窗口的防护能力提出了更多的功能需求。设想中的透明陶瓷保护板结构如图2所示，第1层为陶瓷面板；第2层为玻璃或者聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)；第3层为聚碳酸酯(PC)，层与层之间由弹性聚氨酯(PU)粘结，各层的厚度可以根据保护窗口的技术要求来计算确定。

4 透波纤维复合装甲特性及应用

透波纤维复合防弹材料是指对频率在0.3～300 GHz、电磁波单向透过率大于70%，采用纤维织物或混杂纤维织物，在一定的工艺条件下与树脂基体复合而制得的具有一定防弹性能的材料。用于制造雷达罩的透波纤维复合材料介电常数值通常为1～4，介电损耗角正切为10-2～10-3数量级，它是集防弹、防热、透波于一体的多功能介质材料。

4.1 雷达天线罩结构与防弹特性

为了提高抗弹性能，地面雷达通常采用A型夹层和C型夹层结构。A型夹层是由两层比较致密的薄的表面层和低介电常数、低损耗、低密度的中间芯层组成；C型夹层是由两层A型夹层组合而成。复合纤维防弹材料的防护机理是：当弹丸侵彻复合材料防弹板时，通过层压板内纤维的拉伸、剪切、分层以及熔融等破坏方式，使弹丸的动能转变为层压板的应变能，降低以至全部吸收弹丸的动能，阻挡弹丸前进，从而起到装甲防护的作用。陈昕等[9]针对反辐射武器对雷达构成的威胁，设计了一种既能够直接防御反辐射武器近炸毁伤，又能保持优异透波性能的防弹天线罩夹芯板块结构。弹道试验和电磁性能测试结果表明，该夹芯结构能够防御某型反辐射导弹在15 m处爆炸产生的破片冲击，并且在S波段的透波率平均值达到了98.6%。

目前，国内透波复合材料使用的增强纤维仍以E玻璃纤维和S玻璃纤维为主，但其抗冲击能力较差的特征，造成雷达天线罩在战场环境中极易被破坏。透波纤维复合装甲材料的增强体由早期的尼龙纤维、碳纤维、玻璃纤维发展为性能较好的芳纶纤维和超高相对分子质量聚乙烯纤维。

4.2 透波纤维材料防弹特性

透波纤维材料的防弹性能是以该材料对弹丸或碎片能量的吸收程度来衡量的，纤维的密度、韧性、比模量、比强度及断裂伸长率都影响纤维的防弹效果。纤维的防弹性能可表示为[10]

R2=WC

(3)

式中：R为防弹性能指标；W为断裂能量吸收率；C为纤维中的声速，由纤维的韧性和模量决定，模量越高，韧性越好，就越大。

几种雷达天线罩常用透波纤维的性能如表3所示。

表3 雷达天线罩常用透波纤维的性能

芳纶具有比强度高，断后延伸率好，抗破坏力强等特点，并且在相同面密度情况下，树脂/芳纶复合材料的抗弹能力是树脂/玻璃纤维复合材料的2～3倍，是钢的5倍左右[11]，被称为第2代复合装甲材料，可替代树脂/玻璃纤维复合材料。

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是利用凝胶纺丝和超拉伸技术将相对分子质量高达几十万甚至几百万的聚乙烯原料制成的高性能纤维，是已开发高性能纤维中最轻的一种，在防护子弹冲击时的能量吸收和应力波传递优于其他纤维，具有良好的能量吸收特性，是第3代抗弹纤维。

4.3 透波纤维及其复合材料的应用

芳纶纤维是制造雷达天线罩、雷达天线馈源功能结构件、轻型天线支撑结构件等的最常用增强材料。UHMWPE防弹性能高于芳纶复合材料，更适合作飞机、导弹、宇宙飞行器件及某些高尖端工业的构件材料，如用于生产预警机雷达罩等。

目前，自行高炮雷达天线罩只能起到保护天线免受风、雨、雪等自然环境影响的作用，没有防弹抗爆能力。随着现代空袭作战样式的发展，裸露在外的自行高炮雷达天线已经受到各类空袭弹药的严重威胁。尤其是战场上的各类爆炸破片和爆炸冲击波，都极易破坏天线，影响到自行高炮作战能力的发挥。因此，选用纤维增强复合材料研制具有防弹抗爆能力的新型雷达天线防护罩，提高自行高炮雷达的战场生存能力，具有非常重要的军事意义。

5 结束语

目前，装甲车辆防护技术发展趋势是争取建立一种“综合防护系统”，使装甲车辆达到：不被发现、不被捕获、不被命中、不被击穿和不被击毁(降低概率)。对于自行高炮而言，虽具有能够“硬毁伤”空袭弹药的优势，但被动装甲依然是应对各种威胁的基本防护，是自行高炮基本性能之一，其发展方向是通过新型高性能材料及先进技术的应用和优化配置，实现轻量化和模块化，使自行高炮的防护朝着立体、全方位的方向发展。

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