爆炸反應裝甲防攻頂技術研究

楊青山，張建仁，劉學柱，馮雄波

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

0 引言

在當前的局部戰爭和地區沖突中,作戰環境和作戰模式由過去的常規作戰變為城市作戰,在這種非對稱作戰環境下,坦克等裝甲車輛頂部面臨的危險日益嚴峻;同時,為了應對未來城市作戰形勢,許多國家將大量現役性能良好的老舊坦克改裝為步兵戰車和輸送車,并進行裝甲防護改進,使其具有優異的防護性能。但是單兵便攜反裝甲武器的發展,對其構成嚴重危險,特別是車輛頂部的防護需求尤為突出,因此開發新型頂部防護裝甲技術,提高戰場防護力成為亟待解決的技術難題[1]。

1 國內外現狀

1.1 國外發展現狀

隨著城市作戰越來越廣泛,步兵戰車越來越受到各國部隊的青睞,而諸如BMP類的輕型步兵戰車在城市作戰密集的火力下往往很難存活,重型步兵戰車的裝甲防護力研究也相繼展開。如俄羅斯的T-14重型步兵戰車,加裝軋制鋼板附加裝甲和間隔裝甲;英國的“阿賈克斯”重型步兵戰車,附加各種復合裝甲加強防護;以色列的“雌虎”重型步兵戰車[2],加裝爆炸式反應附加裝甲和主動防御系統。此外,根據戰時情況可設計為3種等級的防護力:A級防護是可空運型的,C級為戰斗型,車體和炮塔安裝高性能附加裝甲模塊,如德國的“美洲獅”;韓國的K-21[3],在裝甲表面加裝模塊組合陶瓷復合裝甲或加裝層式間隙裝甲,大幅提高防護力;美國的M2布拉德利步兵戰車,安裝了新型爆炸式反應裝甲;俄烏戰爭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]。為適應未來的戰爭形勢,配合主戰坦克的攻城略地,迫切需要發展新一代步兵戰車,并提高其防護能力。

1.2 國內發展現狀

自20世紀80年代初期開始從仿制到研制步兵戰車和坦克的防護系統,同期開展研制爆炸反應裝甲(explosive reactive arrmor, ERA),經過40多年的發展,與國外的技術水平差距逐漸縮小,在有些方面甚至處于國際領先水平。但是基于步兵戰車作戰用途及重量,其防護力都屬于基礎級防護力,頂部的防護技術更是有待進一步提高[5]。近年來借鑒外國經驗,在已有坦克的基礎上,研發新型重型步兵戰車及輸送車,既節約成本又縮短了研制周期,作戰效能得到顯著提升。

2 防護理論研究

ERA通常采用兩塊鋼板中間夾一層炸藥的結構,即“三明治”結構,其實質上是一種被動式的“化學爆炸反應裝甲”。1984年Mayseless等[6]首先從理論上解釋了ERA抗擊射流的基本機理,提出“卵石干擾模型”;Held等[7]對不同條件下ERA干擾聚能射流的能力進行研究,結果表明: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射流干擾顯著,而起爆位置對射流的干擾則不明顯;吳成等[8]利用數值仿真對ERA飛板運動規律進行研究。以上研究使得人們對ERA的理論研究飛速發展并逐漸完善。近年來,隨著雙層ERA的出現,使得射流的毀傷效率大幅降低,Held[9]對帶有單層或雙層ERA夾層的前裝甲、斜裝甲和側裝甲系統抗擊聚能射流的能力進行試驗研究,得出ERA抗擊聚能射流的能力與法向角度密切相關,且雙層ERA較單層防護效果更好;黃正祥等[10]對雙層ERA作用場進行分析和試驗研究,發現裝甲板斜置角度和雙層楔形角對爆炸作用場有較大的影響,在一定范圍內,使作用場作用時間提高了1.75倍;劉宏偉等[11]對雙層裝甲干擾射流影響因素進行分析,研究了雙層反應裝甲與主靶板間的距離、反應裝甲組件間距離、雙層反應裝甲兩層之間夾角等因素對射流的影響。

當破甲彈撞擊到反應裝甲表面時,破甲彈形成金屬射流,反應裝甲內部所裝炸藥被金屬射流引爆,爆炸時所產生的爆轟產物以及面、背板的運動共同對金屬射流產生強烈的干擾作用,向外飛出的金屬板截斷聚能射流彈道,依靠金屬板的恒定作用使射流出現巨大波動,甚至射流中斷,從而降低射流對主甲板的侵徹力,射流波動程度愈大,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 爆炸反應裝甲與破甲射流作用過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of interaction between explosive reactive armor and armor piercing jet

2.1 爆炸反應裝甲引爆條件

ERA主要起防護作用的部分是內部的平板藥室,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裝藥層不被引爆,只有受到相當程度的沖擊時才能被引爆,且具有足夠的爆速,從而保證面、背板具有一定的運動速度,因此平板藥室的引爆條件至關重要。

在二維加載的情況下,高能裝藥的起爆通常采用Held判據: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Icr為裝藥的閥值常數,其值可以通過試驗測得。則滿足Held判據的Icr可表示為:

(2)

式中,vcr為引爆臨界速度。

一般而言,100型標準破甲彈采用紫銅藥型罩,且射流速度在6 800～7 000 m/s,由計算可以得出,I值遠遠大于Icr,完全能夠保證平板藥室可靠引爆。

2.2 匹配性選擇

對于破甲射流,當射流侵徹點位于平板藥室的上半部時,面板起主要作用,而當射流侵徹點位于平板藥室的下半部時,背板起主要作用。為了使爆炸反應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該相等[13]。

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

(3)

(4)

用SPSS16.0統計軟件包對實驗數據進行統計學分析，3組抗剪切強度比較采用卡方檢驗，兩兩比較采用LSD-t檢驗；ARI記分采用Kruskal-Wallis H檢驗。P<0.05為差異有統計學意義。

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

假設偏轉射流的軸向速度分量vt≈vj,可以得到:

(5)

對于射流,板厚h的變化,使k與vp發生變化,從式(3)、式(4)中可以看出偏轉角α也將發生變化。板的運動速度vp可由Gurney公式來計算。對于面、背板等厚的爆炸反應裝甲,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、背板的質量和;ω為裝藥質量。

根據上述理論,重點研究了藥室面、背板厚度配比。分別對面、背板厚度為1.5∶1.5及2∶2情況下做抗彈性能試驗,結果表明,面、背板厚度均為2 mm、裝藥厚度取3 mm為較優方案。

2.3 材質選擇

由反應裝甲的理論研究可知對于硬度低的材料,當射流侵徹時為沖塞破壞,不容易產生對射流的干擾顆粒,所以效果較差。因此該組合爆炸反應裝甲藥室選用性價比較高的45號鋼板。

2.4 尺寸選擇

ERA對于射流的最大作用是對射流的有效部分全部進行干擾。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,它對裝甲有侵徹能力。設射流有效部分經過反應裝甲的時間為t。同時從射流頭部到達反應裝甲,其平板藥室面、背板以vp速度運動一段時間Δt,則有[14]:

(7)

當平板藥室的長度太小時,一部分后續射流不能受到面、背板的作用,使其抗射流效果下降。當平板藥室面、背板的長度過大時,板的一部分沒有起作用,同時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間延長,面、背板開始運動的時間推遲,射流頭部將有較多的射流沒有受到板作用而通過ERA,增加了對主裝甲板的侵徹,降低了其抗射流效果。

根據指標要求,該ERA的外形尺寸必須小于245 mm×245 mm×145 mm,依據有限的空間和雙層藥室同時發揮防護作用的工作機理,文中優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,進而滿足ERA輕且優的性能特點。且依據該ERA的雙層作用機理,為了保證反應裝甲干擾100型標準破甲彈時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”結構單元效應存在的必要條件。因此傾角大小對結構單元效應有著明顯的影響。一般來說,隨著傾角增大,結構單元防護效應增大[16]。為了增強ERA的防護性能,組合ERA采用多層平板藥室連續作用方式,以保證每發來襲彈藥具有兩塊平板藥室進行干擾攔截。綜合權衡平板藥室防護的角度效應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 試驗驗證

3.1 試驗準備

該組合ERA一方面通過將傳統的平板藥室以“百葉窗”形式組合而成,當100型標準破甲彈引爆反應裝甲時,同時會有兩塊平板藥室進行干擾切割,極大增強其防護效果;另一方面通過將平板藥室預制一定角度,增強平板結構藥室的防護效應,進一步保證組合ERA對100型標準破甲彈的防護效果。

驗證試驗采用100型標準破甲彈靜態引爆組合ERA,通過觀察后效基板侵徹深度確認方案的可行性,具體試驗產品如表1所示。

表1 試驗產品及數量Table 1 Test product and quantity

3.2 試驗過程

組合ERA抗彈性能試驗示意圖及現場布置如圖3所示。

圖3 組合爆炸反應裝甲防100型標準破甲彈示意圖Fig.3 Schematic diagram of the combined explosive reactive armor defense 100 mm HEAT

3.3 試驗結果

通過試驗驗證,總體防護效果與預期一致,具體試驗數據如表2所示,試驗結果照片如圖4所示。

表2 組合爆炸反應裝甲防100型標準破甲彈試驗數據Table 2 Test data of the combined explosive reactive armor defense 100 mm HEAT

圖4 組合爆炸反應裝甲防100型標準破甲彈試驗照片Fig.4 Test pictures of the combined explosive reactive armor defense 100 mm HEAT

4 結論

通過理論分析和試驗驗證,結果表明:100型標準破甲彈射流經過雙層平板藥室的有效干擾切割,對基板的侵徹能力不大于10%。

該組合ERA能夠在實心鋼體厚度不大于25 mm、高度不大于145 mm的條件下,有效干擾100型標準破甲彈的攻擊,具有重量輕,結構尺寸小的優點,對未來老舊坦克的改造和新型坦克裝甲車輛的頂部防護具有良好的應用前景,同時其“百葉窗”組合結構也對頂部裝甲防護技術的研究具有一定指導意義。