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電磁裝甲防護技術的現狀及發展趨勢

2014-04-09 09:37:42李治源羅又天邢彥昌
裝甲兵工程學院學報 2014年1期
關鍵詞:研究

李治源, 羅又天, 邢彥昌

(軍械工程學院彈藥工程系, 河北 石家莊 050003)

當前,裝甲防護技術隨著反坦克武器的發展和戰場環境的改變而面臨著以下突出問題和矛盾:一方面,現代反坦克武器穿破甲能力有了極大提高,信息化彈藥和路邊炸彈也能從坦克的四面八方發起攻擊;另一方面,為適應快速機動和遠程投送的需要,又要求下一代的裝甲車輛必須實現輕量化。因此,如何在大幅度降低坦克裝甲車輛重量的同時,保持并進一步提高車輛的防護能力,以對抗日益增長的反裝甲武器發展,將成為裝甲防護技術面臨的新挑戰。20世紀70年代提出的電磁裝甲防護技術將有望實現這一目標。

電磁裝甲(Electromagnetic Armor)是利用電能干擾和破壞來襲射彈,來減輕和消除對主裝甲的破壞,從而提高裝甲車輛防護能力的一種新概念的附加裝甲。作為一項新概念的防護技術,電磁裝甲由于具有無可比擬的功率密度和響應時間,有望為未來的坦克裝甲車輛提供輕型、全向的防護。但也由于其作用機理、試驗技術和系統小型化等關鍵技術尚未突破,目前仍處于理論研究與試驗探索階段,成為各國裝甲防護研究的一項重要課題。

1 電磁裝甲結構組成與作用過程

20世紀70年代,美國人Walker[1]最早提出使用電能降低爆炸成型裝藥的破甲深度的設想,利用脈沖大電流汽化、干擾和分散破甲彈的金屬射流,從而降低破甲彈的破甲深度。但限于當時對自由表面金屬射流磁流體動力學(magnetohydrodynamic, MHD)理論研究不足和相關試驗技術條件限制,電磁裝甲研究一直停留在概念研究階段。90年代后期,電磁裝甲防護技術的研究才進入一個快速發展時期。

電磁裝甲的基本結構如圖1所示,在主裝甲前放置2塊薄的裝甲金屬板,兩板間用絕緣材料隔離,并分別與高儲能密度電容器組的正、負極相連接,就構成了電磁裝甲模塊,當電容器組充電后,由于兩板間相互絕緣,系統處于待發狀態。

圖1 電磁裝甲防護系統組成

當反坦克彈藥擊中被動電磁裝甲時,破甲彈的金屬射流或穿甲彈的彈芯首先將2塊薄金屬板擊穿,兩板間的絕緣被破壞,電容器組儲存的電能通過兩板和板間的射流或彈芯放電,此時產生的脈沖大電流將會干擾和破壞射流或彈芯,其干擾和破壞的機理目前認為主要有歐姆加熱效應、洛倫茲力效應、磁流體動力學作用下的扭曲效應和箍縮效應等。

與傳統的裝甲防護技術相比,電磁裝甲具有以下優點。

1) 重量輕。電磁裝甲的防護能力與裝甲板的厚度無關,在提供同樣防護能力的情況下,電磁裝甲重量只有軋制均質鋼裝甲的30%,甚至更少,這就大大降低了坦克的重量,提高了其機動性和戰場生存能力。

2) 成本低。依靠電能而不是材料的特性提供防護,防護板制造成本低;全車共用一套高功率脈沖電源,在一定范圍內電源重量不會隨著防護面積的增加而增加,其初始能源也由內燃機提供,價格低廉。

3) 防護能力高。電能的響應速度比化學能反應速度高,在一定體積范圍內通過電流的能量也大大高于化學能,因此電磁裝甲的功率密度比爆炸反應裝甲要高幾個數量級,大大提高了防護能力。

4) 可重復防護。只要來襲射彈沒有造成電磁裝甲板的短路,只要對高功率脈沖電源再次充電,就可繼續抵御外來射彈的侵襲。

5) 安全性高。電磁裝甲系統中不含有炸藥和油料等易燃易爆品,在生產、運輸和儲存等環節的安全性能要更高一些。

6) 與未來的“全電戰車”相兼容。隨著兵器科學與技術的發展,裝配有電磁炮的全電戰斗車輛將是坦克裝甲車輛的重要發展方向。通過綜合能源管理系統將全電武器集中管理與分配,將大大提高脈沖功率電源的利用率,減小體積和重量,并可與信息化系統實現“無縫”鏈接,形成新一代的武器平臺。

但是,電磁裝甲也存在很大的局限性。一是能源需求大,為產生脈沖大電流,電磁裝甲必須由高儲能密度的脈沖電容器組構成高功率脈沖電源來提供電能。雖然目前普遍認為大于300 kA的電流就可以使破甲彈的穿深明顯減弱,但要防護現在普遍裝備的火箭彈和反坦克導彈,至少需要1 MA以上的電流,此時脈沖電容器的儲能至少要達到1~2 MJ。二是盡管有報道電磁裝甲可防御穿甲彈,但其作用機理和防護效果還不十分清楚。

2 電磁裝甲技術研究現狀

2.1 電磁裝甲作用機理研究

2.1.1 電磁裝甲運動學理論模型

相對于穿甲彈物理模型,破甲彈金屬射流模型要復雜得多。一是速度高,不僅頭部速度高達8 km/s,杵體速度也達1~2 km/s[2];二是在射流的徑向和軸向上都存在速度梯度;三是射流在爆轟波的作用下,呈現準流體特性。與此同時,電磁裝甲板的間距有限,只有當射流將2塊裝甲短路時,才能形成脈沖大電流,因此電磁裝甲的運動學模型是電磁裝甲機理研究的基礎。

2004年,德國人Wickert[3]首次利用作用時間窗方法分析了金屬射流與電流作用時間問題,如圖2所示,圖中橫坐標表示時間,縱坐標表示位移,將破甲彈炸高、電磁裝甲板間距、射流速度梯度等參數與脈沖電流波形相互作用時間表現出來,通過該模型可以直觀地看出電流對金屬射流的有效作用時間,即作用時間窗,從而可以計算出脈沖電流注入金屬射流的能量與位置。

圖2 電磁裝甲電流作用時間窗模型

Wickert提出的作用時間窗方法是針對其試驗建立的,只適用于個例,不具有通用性。2008年,陳少輝[4]在作用時間窗模型基礎上,建立了通用的作用時間數學模型,并以電流對金屬射流微元的最長作用時間為目標,即可求出最優裝甲板間距,該結果也通過電磁裝甲實彈試驗得到證實。

2.1.2 電磁裝甲電路理論模型

電磁裝甲放電過程是一個R-L-C振蕩過程,為了獲得最快的上升電流和最大的峰值電壓,要求工作電壓要高,回路電感和回路電阻要小,而回路阻抗無法用集中參數來描述,必須建立基于分布參數的電磁裝甲電路模型。2010年,陳少輝等[5]分別建立了高功率脈沖電源、匯流器、電磁裝甲板和射流的電路參數模型,從而精確計算出脈沖電流上升時間和峰值。通過電磁裝甲實彈試驗的實測電流波形驗證了電路模型的正確性,如圖3所示,圖中紅色為仿真電流,藍色為實測電流。

圖3 金屬射流穿過電磁裝甲仿真圖

應用該電路模型,2010年軍械工程學院設計了峰值電流上升沿為65 μs電磁裝甲試驗系統,開展了實彈靜破甲試驗并獲得了期望的脈沖電流波形。

2.1.3 基于電爆炸機理的歐姆熱效應

電磁裝甲最早提出時的設想就是利用電能的加熱效應來干擾和破壞破甲彈的金屬射流,在隨后的研究中,雖然實彈試驗驗證了脈沖電流可以有效減小破甲彈的穿深,但根據當時對電能歐姆熱效應的研究水平,認為注入的能量不足以影響射流的穿甲行為,因此在隨后的二三十年中主要用液態金屬的磁流體動力學效應來解釋電磁裝甲的作用機理。但是隨著對脈沖電流歐姆熱效應的深入研究,特別是電爆炸理論的不斷完善,電磁裝甲作用過程中的歐姆熱效應電爆炸機理又一次成為研究熱點。

Wickert通過理論與試驗研究認為:對于直徑2 mm的金屬射流,在65 μs以內峰值電流達到300 kA時,脈沖電流對金屬射流的作用可以用一個電爆炸模型來較好地近似,其電路模型中的電阻抗參數在脈沖電流作用下的變化規模可以用電爆炸導體機理來解釋。

盧聘[6]利用電爆炸理論,建立了金屬射流的比作用量模型,根據金屬射流的作用時間和脈沖電流波形,對金屬射流的比作用量進行了計算,分析了電磁裝甲系統的電感、電阻、電容和充電電壓等電路參數和裝甲板間距等結構參數對金屬射流比作用量的影響,在此基礎上對裝甲板間距進行了優化,優化結構與陳少輝[4]得出的結果相同。

2.1.4 基于磁流體動力學不穩定性機理

當射流中流過脈沖大電流時,電流與產生的電磁場相互作用,加速聚能裝藥射流的變形與斷裂。這一現象的基本原理是金屬流體中的磁流體動力學不穩定性效應,主要分為扭曲不穩定性和臘腸不穩定性。

Littlefield等[7]假設金屬射流為無限長,沿著軸向均勻拉伸,具有極好的塑性,并忽略了熱傳導、損耗和焦耳加熱效應。事實上,由于這種假設忽略了熱效應,因此與實際情況不符。之后,Littlefield[8]又研究了考慮熱效應、更接近實際的有限電導率情況,并且提到了電熱軟化作用在磁流體不穩定性中的重要性,給出了金屬射流產生磁流體不穩定性的材料屬性的邊界條件。

普遍認為:金屬射流結構尺寸上的缺陷是產生磁流體不穩定性的主要原因,即射流的軸向直線度產生扭曲不穩定性,射流徑向尺寸差異產生臘腸不穩定性。苑希超[9]對金屬射流控制方程組中的關鍵因素電磁體積力進行了分析,認為變化的磁壓力是產生磁流體不穩定性初始擾動的主要原因,并求出了等效表面電磁壓強與時間和半徑的關系,通過數值計算,得出了表面電磁壓強隨相對半徑的變化規律。

2.2 電磁裝甲數值仿真研究

由于電磁裝甲包括力學、流體、電磁和熱等多種工況的非線性快速變化過程,相互耦合,作用時間短,難以用解析解來描述和分析,只能用數值計算的方法來仿真分析其作用過程。

2004年,英國國防科學與技術實驗室利用2種通用商業化數值模擬工具(AUTODYN和ELEKTRA)對電磁裝甲中的破甲彈射流進行了仿真[10],假設電流位于破甲彈射流表面,利用AUTODYN有限體積技術來模擬電磁壓力和破甲彈射流的變形;為了精確預測流過破甲彈射流的電流和磁通密度,ELEKTRA使用有限元方法來解決麥克斯韋方程組的低頻部分;為了檢驗AUTODYN方法的準確性和估算已做假設的正確性,對AUTODYN和ELEKTRA得到的結果進行了分析對比,其結果如圖4所示。建議結合使用AUTODYN和ELEKTRA軟件。

圖4 金屬射流穿過電磁裝甲仿真結果

為計算電磁炮、電磁裝甲等脈沖電流作用下的多場耦合數值解,美國桑迪亞實驗室開發了一種計算機仿真軟件ALEGRA,它使用拉格朗日、歐拉和ALE算法,可以用來解決二維或三維空間復雜形狀物體的多物理量耦合問題。該軟件可選擇很多變化的物理量,包括流體動力學、有外部電路耦合的磁流體力學、輻射傳導、熱傳導、對偶離子和電子溫度等。

2002年,美國桑迪亞實驗室進行了三維ALEGRA-MHD仿真[11],模擬了直徑3 mm的銅線,等邊彎曲60°注入峰值400 kA脈沖電流后的磁流體動力學現象,同時進行了模擬驗證。圖5為仿真和試驗結果對比。左側圖為磁通密度和磁能分布的等值面分布,右側圖為試驗中同一時刻得到的X光照片。仿真結果在形態和斷裂時間上均與試驗結果相符,同時直觀地標出了最大磁能和最小磁能的位置,顯示了可視化仿真技術的極大優勢。但是仿真軟件包由于缺乏處理導體斷裂后導電回路切斷的能力,因此在斷裂處的結果處理上尚顯不夠準確。

圖5 ALEGRA-MHD仿真和試驗結果

2008年,美國陸軍研究實驗室加大了對ALEGRA的投入力度,以實現對電磁裝甲中的復雜物理現象建立接近基本原理的仿真能力[12]。圖6為得到的電磁裝甲仿真圖。

圖6 金屬射流穿過電磁裝甲仿真圖

2.3 電磁裝甲試驗技術研究

20世紀70年代末,前蘇聯拉夫季耶夫流體力學研究所最早開始電磁裝甲的研究工作,1975年1月完成了第一批試驗,并開始了電磁和強電流對成型裝藥射流穩定性影響的綜合性研究。1998年的公開資料表明:該研究所還致力于脈沖電流作用下的磁流體動力學不穩定性研究[13-15]。

20世紀80年代,美國加利福尼亞的麥克斯韋實驗室開始了電磁裝甲的理論研究。之后,美軍陸軍研究實驗室的武器技術指導委員會制定了具體研究計劃。隨后使用30 mm和50 mm直徑破甲彈對電磁裝甲進行了原理試驗(峰值電流450 kA),對于標準裝甲鋼,30 mm破甲彈破甲深度從140 mm降到了40 mm,50 mm破甲彈破甲深度從220 mm降低到了80 mm。

2006年,夫瑯和費研究所(Fraunhofer-Institute for High-Speed Dynamics, Ernst-Mach-Institute)進行了44 mm口徑破甲彈的電磁裝甲試驗。試驗系統如圖7所示,2塊10 mm厚的銅金屬板組成電磁裝甲模塊,間隔50 mm,中間用塑料支撐隔離。金屬板的法線與射流軸線成60°,高壓脈沖電容器容量780 μF,工作電壓16 kV,電容器組的儲能E=100 kJ。

圖7 電磁裝甲試驗系統

在電磁裝甲板后放置軋制均制裝甲目標板以測量剩余穿透能力。為了便于觀察金屬射流通過電磁裝甲板后的變形情況,在裝甲板后預留出了600 mm的距離以拍攝射流的X照片,使用一個3通道的X射線管每隔20 μs觸發一次。通過加電與不加電的對比試驗表明:加電后的試驗,射流變形明顯,特別是在100 μs時分散得最快,3次試驗中射流的穿透能力明顯下降,即使考慮破甲彈破甲深度散布的影響也是如此。

美軍陸軍研究實驗室和陸軍坦克動力研究發展與工程中心從2000年開始了緊湊型高功率脈沖電源設計和電磁裝甲試驗工作,設計和研制了電磁裝甲試驗平臺及電磁裝甲試驗模塊,如圖8所示。

圖8 美國電磁裝甲試驗模塊

2008年,瑞典防護研究機構和Grindsjǒn(防護安全系統和技術部門)研究中心(Swedish Defence Research Agency, Defence & Security Systems and Technology Division, Grindsjǒn)為了研究金屬射流的破碎現象,對電流流過的靜態銅桿進行了試驗[16]。在所拍攝的X光照片中可以清楚地看到,洛倫茲力明顯把銅桿推向了右側。這一推力可能給金屬射流一個側向速度,這將會阻礙金屬射流像以前一樣打擊在同一點,也就是說拖尾效應使金屬射流覆蓋了更大的目標表面,從而使得侵徹能力下降。

2007年,荷蘭的應用科學研究院彈道研究實驗室在2種成型裝藥的實彈射擊中對電磁裝甲的潛力進行了評估。測量結果顯示:由于電流的存在,導致金屬射流不穩定性增強,從而降低了其侵徹能力[17]。

1999年,兵器工業某研究所在國內首次進行了電磁裝甲原理試驗,試驗選用若干個5 kV、183 μF的電容器組成電容器組,使用鋁作為裝甲板,間隔350 mm,通過對比試驗,驗證了電磁裝甲原理的正確性。

自2000年起,軍械工程學院開展了電磁裝甲理論、仿真與試驗研究,不斷完善和改進了試驗系統,優化了裝甲板間距,掌握了電磁裝甲電參數、結構參數的設計準則和優化方法。

2.4 電磁裝甲軍事應用研究

國外在開展理論研究的基礎上,適時開展電磁裝甲應用研究,重點研究電磁裝甲與裝甲車輛的綜合集成技術、高功率脈沖電源和安全性與電磁兼容技術研究。

2003年9月,在英國倫敦舉行的車輛生存能力會議上,英國政府所屬研究機構國防科學與技術實驗室公布了安裝在“武士”步兵戰車上的電磁裝甲試驗錄像,如圖9所示。試驗顯示:安裝在“武士”步兵戰車側面的電磁裝甲受到火箭彈多次打擊,但所有破甲彈射流在擊穿車體主裝甲之前就被電磁裝甲減弱了,對車體外部結構造成的損傷也非常小。據國防科學與技術實驗室透露,這種電磁裝甲系統總質量只有3 t,而提供的防護效果卻相當于在裝甲車輛上加裝10~20 t裝甲鋼,目前英國正在考慮將電磁裝甲技術應用到“未來快速反應系統”。

圖9 英國電磁裝甲試驗

2005年2月22日,美軍陸軍研究實驗室和陸軍坦克動力研究發展和工程中心完成了電磁裝甲模塊與混合電驅動戰車的一體化研究。在馬里蘭州阿伯丁試驗場進行了實彈射擊試驗,如圖10所示,在現場射擊試驗中安裝在混合電驅動演示戰車上的電磁裝甲模塊成功抵御了多枚來襲彈藥,證明電磁裝甲具有抗多次打擊能力。

圖10 美國電磁裝甲試驗

2010年,軍械工程學院在前期理論與試驗研究的基礎上,研制了電磁裝甲集成模塊,為電磁裝甲工程化試驗奠定了基礎。

3 電磁裝甲防護技術發展趨勢

通過近幾十年的電磁裝甲防護技術研究,其理論、仿真和試驗技術都有了長足的進步,但也不可否認,電磁裝甲要走出實驗室、實現工程化的軍事應用還有相當長的一段路。筆者認為,應從以下方面開展相關工作。

3.1 深化作用機理,探索防護穿甲彈機理

多年的研究結果表明:電磁裝甲能有效防御破甲彈的金屬射流。但至今尚未實現軍事應用的主要原因是缺乏防護穿甲彈的機理與試驗研究,盡管穿甲彈的速度低于破甲彈的金屬射流,但其彈芯直徑大、材料強度高,必須深化電磁裝甲的作用機理,重新優化設計電磁裝甲的參數,使得其既能防護破甲彈,又能防護穿甲彈,這樣才能推動電磁裝甲的軍事應用進程。

3.2 強化系統集成研究,為工程化樣機研制提供基礎

與傳統防護系統相比,電磁裝甲具有系統總重量輕、能有效對抗破甲彈和抗多次打擊的能力。但要發揮其防護作用,還必須與基礎裝甲集成在一起,解決絕緣與支撐、綜合布線和電源集成等工程問題,因此強化系統集成研究將是電磁裝甲的發展重點之一。

2009年3月舉辦的電磁裝甲歐洲研討會結束后,歐洲防務局(European Defense Agency, EDA)啟動了裝甲車輛電磁裝甲項目研究,重點開展電磁裝甲的綜合集成研究,并在2010年6月提交的報告中介紹了分別基于履帶和輪式重型裝甲車輛的電磁裝甲系統及電磁裝甲模塊設計圖,如圖11所示。并向EDA各成員國推薦以征集合作研究對象。

圖11 EDA的試驗車和電磁裝甲示意圖

3.3 加強電磁兼容與高電壓安全性研究,為裝備發展提供依據

對于坦克裝甲車輛來說,其車體、炮塔或底盤作為電源地、信號地和安全地[18]。但電磁裝甲在高電壓、大電流和強磁場環境下工作,即使接地端存在毫歐級的電阻,也將會產生上千伏的電壓,同時強磁場也會通過車體耦合到車體內部。因此電磁裝甲的安全性和電磁兼容性是其軍事應用的關鍵技術之一。

為此,歐洲防務局已經開始研究電磁裝甲使用安全性準則,包括建立電磁裝甲的運行、維護、培訓和儲存等方面的安全和風險評估方法,評估與電磁裝甲性能相關的通用功能和固有危險以及這些危險可能產生的影響,建立識別潛在危險的安全評估過程,制定安全標準等。并制定了相應的研究計劃。 2013年英國國防科技實驗室將電磁裝甲模塊安裝在FV432裝甲車,對其開展了電磁兼容性測試,如圖12所示。

圖12 對電磁裝甲模塊進行電磁兼容測試

3.4 拓展應用領域

雖然電磁裝甲是圍繞裝甲車輛的防護而誕生的,但隨著其機理與試驗技術成熟后,也將應用于其他軍事平臺的防護,如地下重要目標防護穿地彈,此時高功率脈沖電源的體積和重量將不會受到限制。同樣,艦船上也有足夠的空間安裝脈沖電源。也可用于空間目標的防護,特別是針對超高速(3~10 km/s),小尺寸(毫米級)的太空垃圾,電磁裝甲將能充分發揮其響應速度快、功率脈沖大的優點,如2009年俄羅斯應用機械與電驅動研究所利用電磁裝甲原理進行了航天器的電磁防護試驗[19]。利用帶有金屬絲的電磁裝甲板模擬了對軌道碎片的防護過程。可以預見,電磁裝甲下一步將會在各類武器平臺上開展試驗與應用研究。

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