复合装甲

概念 | 工程技术领域的非均质坦克装甲

复合装甲(composite armour)系由两层以上不同性能的防护材料组成的非均质 坦克装甲 ,一般来说,是由一种或者几种物理性能不同的材料,按照一定的层次比例复合而成,依靠各个层次之间物理性能的差异来干扰来袭弹丸(射流)的穿透,消耗其能量,并最终达到阻止弹丸(射流)穿透的目的。这种装甲分为金属与金属复合装甲、金属与非金属复合装甲以及间隔装甲三种,它们均具有较强的综合防护性能。

产品简介

普通装甲是用单一材料制成的,如钢装甲、 铝合金 装甲,又称 均质装甲 。随着反坦克炮弹、 导弹火箭弹 的穿透力不断增大,均质装甲抵御不了这类武器的攻击。继续增加装甲的厚度固然可以提高 坦克 的防护力,但增加装甲度势必增加坦克的重量,影响坦克的机动性。于是人们想出用不同的制成多层装甲,这就是复合装甲。由于所用的材料不同,复合装甲有多种,有的内外两用金属,中间夹一层非金属材料;有的由四五层金属、非金属材料叠合而成。有的复合装甲各层之间留有空隙,称为间隙式装甲。

基本原理

复合装甲有多层,穿甲弹或 破甲弹 每穿透一层都要消耗一定的能量。由于各层材料硬度不同,可以使穿甲弹的弹芯或破甲弹的金属射流改变方向,甚至把穿甲弹芯折断。因此,复合装甲的防穿透能力比均质装甲要高得多。在装甲的单位面积重量相同时,复合装甲抗破甲弹的能力比均质钢装甲提高两倍。

发展历史

坦克的发展史,就是坦克装甲不断增厚的历史。坦克的防弹能力不单和装甲厚度有关,同时也与装甲的抗弹能力有关。 二战 时期, 国民党 部队英制坦克的装甲,就比日本坦克同样厚度的日制镍铬钢板更坚固。纳粹德国的坦克由于缺乏镍铬原料,不得不采用表面渗碳等复杂工艺保证其抗弹能力。而战争中期 苏联 生产的坦克,由于战时简化工艺,同样厚度的装甲,其抗弹能力比战前生产的坦克差很多,而在 中国坦克博物馆 展出的20世纪50年代的苏制 T-54坦克 ,其装甲表面有冲击的痕迹,据说采用冲击强化工艺以增强抗弹力。

自从1936年破甲弹诞生以来,坦克被迫不断加厚装甲厚度。破甲弹对轧制均质装甲(RHA)的破甲威力约为其弹头直径的6到7倍。一枚120毫米的破甲弹,其破甲厚度为720到840毫米。如果设计师把坦克四周装甲都搞到这一厚度,那么,坦克的战斗全重会大于100吨,会成为真正的铁乌龟。

20世纪60年代,世界一线主战坦克前主装甲厚度发展到了200毫米上下,坦克的重量也接近到一个极限。要维持过桥能力和运载的方便性,主战坦克的重量和装甲就不能再大幅度增加。苏联首先在其T-64主战坦克上创造性地使用复合装甲。具体来说,就是前装甲共三层,外层为80毫米厚钢质装甲,中间层为104毫米厚的 玻璃纤维板 ,内层为20毫米厚的钢质装甲,即 钢板 中夹带玻璃纤维板。同厚度的玻璃纤维板的抗弹能力不及同等厚度的装甲钢,但同重量的玻璃纤维板其抗弹能力却要超过同重量的装甲钢。这样,通过采用复合装甲,苏联T-64主战坦克在重量只增加4吨的情况下,前主装甲抗穿甲弹能力几乎增加50%,接近300毫米均质装甲钢的防护水准;抗破甲弹能力几乎增加90%,达到约600毫米均质装甲钢的防护水准。

同一时期,美国等西方国家也开始研制复合装甲。1976年6月22日,《 泰晤士报 》发布了这样一条新闻: 英国 研制成功乔巴姆装甲。( 乔巴姆 为英国一小镇,那儿有英国皇家装甲研究院)。乔巴姆的出现,使得“甲-弹斗争”的天平第一次向装甲一方倾斜。乔巴姆装甲是一种多层结构的复合装甲,中间是 陶瓷装甲 ,两边是优质 合金钢 装甲。破甲弹对付乔巴姆已经显得十分吃力,这也使得主战坦克的主流弹种转变为 尾翼稳定脱壳穿甲弹

陶瓷材料 在高速冲击下会产生裂纹,裂纹传播速度约为几百米每秒,而破甲弹金属射流传播速度高达7000米每秒。因此其强度不会受到影响。但是动能弹弹丸在命中时速度要比破甲弹低很多,这使得陶瓷材料防动能弹效果不佳。美国在 M1A1主战坦克 复合装甲基础引入 贫铀装甲 ,网状的 铀合金 在复合装甲中起到了骨架的作用。20世纪70年代,中国也开始研制复合装甲。从20世纪80年代开始,中国为其主战坦克配备了两种早期的复合装甲,用于加强主战坦克车体前上装甲的抗弹能力。

各国主战坦克的真实抗弹能力成为高度机密。英国的“乔巴姆”、美国的“ 凯夫拉 ”和钛板夹层复合装甲以及贫铀复合装甲,其真实情况尚未没有公开。

应用形式

复合装甲组合件

亦称模块装甲,它是复合装甲的一种应用形式。将复合装甲制成组合件的主要优点是能降低炮塔和车体的制作成本,可采用螺栓或铁筐盛装的办法将其固定在车体或炮塔的相应部件上,同时可根据敌方武器破甲威力的发展,随时增加或减少复合装甲组合件的挂装数量、另外在非战时可将其卸下(总重量一般为2吨以上)以降低油料的消耗。

滑动式装甲

该装甲由6层组成,外面两层为钢板,中间两层为先进的 陶瓷板 ,内面两层为钢板。当坦克被穿甲弹击中时,外面两层钢板先使弹芯速度减慢,待弹芯碰到中问两层陶瓷板时,这两层陶瓷板同时左右来回滑动,使弹芯运动方向发生改变,甚至可把弹芯剪成3段受到损伤的弹芯动能急剧减小,残存的功能很快就被内面两层钢装甲板吸收。这种装甲可以防御 贫铀弹 攻击。

无炸药反作用装甲

美国原FMC公司发明了一种无炸药作用的被动式箱形反作用装甲单元,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(嵌入反作用装甲单元的小钢块)构成。穿甲弹或破甲弹射入该单元时,飞板破碎或烧蚀,从而干扰和破坏 射弹 的侵彻能力。这种箱形反作用装甲单元重量轻,体积小,用于保护 装甲车辆 的车体部分,效果较好。

生产意义

复合装甲的出现,是坦克防护技术史上的一次革命,它的诞生使得坦克走向了靠新的材料技术而不是单纯增厚装甲提高防护的道路,某种程度上也使得坦克从反坦克武器的致命威胁下走出来,重新夺回了陆战之王的宝座,可以毫不夸张的说,复合装甲拯救了坦克这一兵器。

品种分类

铝装甲

由于铝的硬度和强度要小。所以此种装甲主要用于轻型装甲车辆。轻型战车用装甲一般用来防御小口径弹片和弹丸。铝制装甲的材料一般为铝镁锰合金,其对比与同体积的轧制均质装甲钢来说,最大的优点在于密度小,重量轻。高标号的7XXX系航空铝合金抗弹能达到RHA(匀轧制装甲钢)的50%,低标号的5XXX系铝合金也能达到RHA的40%左右,比重却只有钢的1/3多一点。现代新型的 步战 基本都是铝合金或者至少部分铝合金的,比如M2/3、武士、 BMP-3 都是如此,相比于老式的钢装甲步兵战车,如BMP-1/2之类,防御强了不少。  

但是,需要指出的是:铝合金作装甲也有缺点,一是高标号的航空铝合金造价不斐,也很难加工成大厚度,限制了高标号铝合金的应用,导致大厚度装甲用的基本是5XXX系低标号铝合金;  

二是铝合金易燃,容易被贫铀弹或者穿燃弹(AP-T)这样的东西引燃。至于铝合金为什么不在 坦克复合装甲 面板上应用,是因为坦克面板基本都是HHA(硬化装甲),抗弹性能比起RHA大约要强化20-30%左右,以M1的HY120为例,抗弹约是4340 RHA的120%左右,这样即便是高标号的7XXX系抗弹也只相当于其的41%左右,重量优势已经不明显了,而且坦克装甲面板很厚,要达到同样抗弹,那么起码要接近300mm的7XXX系铝合金面板,相当难加工而且昂贵;如果用5083之类的低标号型号,那么就要更厚的装甲,那么连铝合金最大的防御/重量优势都没有了。

钢板类装甲

由于钢本身机械性能的优越性,使得钢板类装甲在坦克的装甲的应用上可以追溯的 第一次世界大战 期间。当时英国的第一辆坦克就是采用的高硬度钢最为其装甲材料的。然而实际上,高硬度钢知识钢板类装甲里的一种,由于其他原因,这种装甲在 一战 不久就被废弃了。知道六十年代后,才被某些轻装战斗车辆重新采用。  

事实上,钢板类装甲可以细分为:  

1.匀压制钢板:匀轧制钢(RHA,又被称作‘Armor Steel’装甲钢) 一般特指RC27钢板(4340钢)匀轧制钢的硬度在250到390BHN之间,铸造或轧制的厚装甲通常用它制造。评价一种材料防御性能时通常与匀轧制钢相比较。           

2.准高硬度钢 (SHS:Semi Hardness Steel) 硬度在400到450BHN之间。准高硬度钢的焊接比较困难,一般被用在复合装甲的模块层次中(例如挑战者2的乔巴母主模块) 以数十毫米的厚度分块焊接上去。   

3.高硬度钢 (HHS:High Hardness Steel) 硬度在500到600BHN之间。高硬度钢的焊接非常困难,通常轧制成许多薄的板块,然后与其它硬度的钢板重叠再用螺钉固定到主装甲板上。莱克莱尔坦克和 豹2 都使用了此类的设计,重叠250BHN、430BHN和515BHN三种硬度的钢板。   

4. 特种钢材 :一般用计算与同等装甲的厚度比例关系。  

a) T72系列出口型~270BHN:防御效能比例90%~92%;  

b) 俄国高镍铸造钢~390BHN :防御效能比例112%~118%;  

c) M1系列HY 120钢 350BHN :防御效能比例114%;  

d) 准高硬度钢~450BHN :防御效能比例120%~125%;  

e) 高硬度钢~600BHN :防御效能比例130%~134%;  

f) 北约多种硬度重叠模块:防御效能比例150%~160%。   

由于分类较多,作者水平限制,在此不做过多介绍。 

陶瓷装甲

陶瓷装甲(特种装甲)  随着新技术的不断发展,高性能的陶瓷材料已经成为现代复合装甲的重要材料之一。个人认为特种装甲,特别是陶瓷材料是以后装甲材料发展的一个热门方向。  陶瓷能成为现代坦克装甲车辆复合装甲的重要材料,是因为它是一种轻质防弹材料。在弹丸威力相同的情况下, 采用装甲陶瓷制造的复合装甲肯定比钢装轻。而且装甲陶瓷的质量有效系数明显高于钢材料的质量有效系数。也就是说,利用陶瓷材料的密度效应、吸能效应、磨损效应等性可明显地提高坦克装甲车辆的防护能力。一般来说, 陶瓷材料金属材料硬度大、密度小。但是其承受的拉伸能力较小, 这意味着装甲陶瓷不能承受大的弯曲应力, 所以在使用时需为其配备韧性背板。  

按照陶瓷种类的不同,可分为:  

1. 氧化铝陶瓷 :是使用最早也是最广泛的陶瓷,又叫 铝矾土 陶瓷。由美国库尔斯陶瓷公司、法国德马尔凯公司等生产。其产品从85%普通氧化铝陶瓷到99.5%的高性能氧化铝陶瓷不等。  

2. 碳化硅陶瓷 :由美国塞尔康姆公司生产,该陶瓷成本较高。尚未大规模应用。  

3. 碳化硼陶瓷 :美国塞拉戴恩公司生产,是世界上公认的效费比最好的防护材料,但由于其造价特别昂贵,常用于 直升机 。坦克上应用较少。

应用形式
复合装甲组合件等
领域
工程技术
学科
材料工程
释义
分类
外文名
别名