[原创]一种用于重型装甲车辆的反应装甲

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导读:门罗效用不只可以用来制作破坏装甲车辆的破甲弹,也可以用来制作保护车辆的装甲——只要他破坏的是来破坏装甲的弹药就可以了。 与锥形装药异曲同工的槽形装药其实也不是新概念,除了最早发现的德国人用作装甲用途之外,还有用于破坏铁丝网的所谓“班加罗尔鱼雷”,其实也就是槽形装药版的爆破筒,美国人也做过了。 最后的效果图是我按装在装大炮的坦克上做的,那时候还没有让坦克装自动炮的概念呢。

1. 设计目的

由于重型装甲车辆在地面战争中具有重要意义,因此各方都在大力发展各种旨在摧毁装甲或使装甲车辆失能的武器,重型装甲车辆的战场生存环境日渐险恶。虽然现在各国也在为本国武装部队开发各种先进的主动防御技术,但因其必须发现对方观瞄制导的迹象后才能采取干扰措施,因此在无法实施(比如靠被动瞄准发射的非制导武器)或干扰失效而被命中的情况下仍必须靠传统的被动装甲和反应装甲提供被动防御。在被动装甲方面,虽然基于材料本身的抗击能力也在逐渐提高,但重量上的限制使得不可能在所有方向上都获得足够可靠的防御能力;而目前使用的传统三明治式反应装甲仅对一定弹着角范围内的破甲弹防护较为有效,而对长杆式动能穿甲弹则几乎无效。

为在可接受的重量范围内提高装甲车辆的被动防御能力,提出这种改进了的反应装甲方案,并吸收了一种德国发明的优点,将其对抗策略计算机化。

2. 设计背景

带锥形孔的空心药柱爆炸时,能量沿药柱轴方向高度集中,能击穿很厚的钢板,这就是门罗效应。在药柱的圆锥孔腔表面镶上金属罩,可使侵彻能力大大增强,这就是破甲弹的由来。坦克设计师想方设法对付破甲弹带来的麻烦已有好多年了,包括使用炸药盒子的反应装甲,用炸药来对付以炸药作为能源的破甲弹,也算是现代版的“以暴易暴”了。

据《现代兵器》1993.10所载(见图 1),德国发明了一种计算机控制的反应装甲,将破甲弹使用的锥形装药变为槽形装药,同样的门罗效应被用来切断长杆式穿甲弹或改变来袭破甲弹射流方向,从而起到保护装甲车辆的作用。除此之外,还加强有飞板的横向运动+冲击以阻隔后续长杆/射流继续从其命中点侵彻,对穿甲弹的后段弹芯施加的横向作用力更可使其出现“侧滑”,即便不能完全使其停止,也会使其在其后的命中时呈现“拍击”现象,将作用力分散施加在广大的装甲面积上,减轻单位面积装甲的负担。更重要的是,德国人引入了传感器和计算机处理的概念,让这种反应装甲以一个系统的形态具有了智能潜力,能够在复杂的战场环境中针对不同来袭弹丸作出符合设计者预设的反应。


一种用于重型装甲车辆的反应装甲


图 1 德国装甲模型

德国装甲的原理虽然先进,但因为以下原因,只是一种原型而不能投入实用:

1. 由采用飞板结构的天然局限可以判断得出:受限于飞板干涉,其在大多数大面积部位只能使用少数大单向尺寸的装甲单元,这会加大装甲单元区域受到二次打击的概率,明显不利于防护;如果采用鱼鳞式结构,虽可减小单元面积,但在应用于车体首上装甲时为了不伤及炮塔或该方向上的设备又会产生不利于本单元防护的情况,难以两全;(见图 2)


一种用于重型装甲车辆的反应装甲


图 2直接使用德国装甲原型所面临的问题

在图2中的①区为便于布置德国装甲的区域,主要是单向尺寸不超过300mm的车首前部及大片面积的边缘;②区显示的是采用简单平行排列布局时在大片面积中部遇到飞板干涉的问题;③区显示的是在大片面积上使用简单大片德国装甲降低二次命中生存能力的问题;④区显示的是在大片面积上采用“后倒”(V型聚能切割装药4的开口方向偏向本车上方)排列布局时伤及本车部件(此处所示为炮管)的问题;⑤区显示的是在大片面积上采用“前倾”(5的开口方向背离本车上方)排列布局时对前上方来袭弹丸防护能力薄弱的问题。

2. 德国装甲的飞板由单独的爆炸单元驱动,而该飞板一旦被使用(被飞板装药炸飞),就不能被再利用,即在该位置上的被动防护能力也被削弱,这当然是车辆乘员不希望看到的;

3. 从德国装甲采用聚能切割装药的结构来看,其聚能切割装药口部前方不能有任何装甲薄弱的装置以避免遭己方射流破坏,从此可见,车辆凸起棱线附近诸如炮塔、车身四周上部及炮塔、车身顶面边缘这些部位将是德国装甲的聚能切割装药区域。而聚能射流在离开装药一段距离后才能有较强的侵彻能力,如果来袭弹丸(包括穿甲弹和小入射角破甲弹)直接命中德国装甲的装药位置或距装药较近,则装甲的功效会大打折扣,即其存在低效区;

故此可见,德国装甲的原型存在部件重复利用性差、适用区域、防护区域有限等缺点。

3. 设计思路与设计创新点

我在完成本方案设计之时并不知晓德国人的工作,因此虽然设计过程的开始都较德国装甲的完成为迟,但设计思路仍是我个人从门罗效应发展而来的,并非受到德国装甲原型的启发。在为申请专利而进行信息检索时才发现了德国装甲,在申请专利的文件中的提及与使用的各种“改进”字眼实际上都只是为了符合专利申请的格式,而在2中提及德国装甲也只是为了交代外界的既有成果,并给本方案提供一个比较对象。

1) 与德国装甲不谋而合,本方案也采用槽形装药对来袭穿甲弹进行横向切割,并且槽形装药发出的片状射流对破甲弹射流和包括大口径炮弹在内的其它侵彻物体都有强力切割作用。

2) 同样的,由于槽形装药不一定位于来袭弹丸弹道上,无法像常规反应装甲那样被命中而进行对抗,因此需要采用外部控制,也就是需要使用某种级别的计算机给具体的装甲单元下达对抗命令,而被动防御的紧迫性和可靠性要求也要求在装甲单元上直接附加传感器。

3) 片状聚能射流单纯的横向切割无法给弹丸位于切割点后面的部分施加尽可能大的影响,不能大幅改变弹丸轨迹和弹道攻角,被切断的弹丸仍会将绝大部分能量集中于弹着点附近区域;如果来袭弹丸使用了串联结构,则后段战斗部可基本不受影响。为将弹丸能量分散,想到从侧面“踢”弹丸一脚的办法,与武术中侧面拍击来拳免受打击的方式类似。因片状射流仅利用了槽形装药在一个方向上的能量,其它方向上的能量没有被片状射流使用,所以这种方式有能量保证,用铰链将前板与背板连接起来,槽形装药爆炸后,一方面产生片状射流切割弹丸,同时前板摆动,靠外部的棱边对弹丸后段施以侧向冲击,使弹丸的绝大部分质量从原有弹道上偏移,甚至翻滚着离开车辆,而切下来的前端质量很轻,弹着点部位的压强可由后面的装甲单元和主装甲被动承受。为了扩大单个单元的有效防护面积,聚能切割装药开口角度设定应倾向于使有一定切割能力的射流在尽量短的距离内形成,而不必象破甲弹那样一味倾向于破甲(切割)能力。铰接式的结构在本单元主动对抗后仍能回到原位,可以在下一轮来袭弹丸击中该单元区域后起被动防护作用,并且此时除了有一个穿孔外,该单元防区(如果其后面就是主装甲)类似间隔装甲,二次防护能力肯定强于采用飞板结构的同样级数德国装甲的二次防护能力。图 3简单显示了对抗过程中的一个状态,其中背板应为有侧壁的盒形,以避免大量单元并排布置时发生相互诱爆,为了便于表示才没有画出侧面的薄装甲。


一种用于重型装甲车辆的反应装甲


图 3 设计原理简图

4) 在炸药以平面与装甲单元面板材料接触时,面板材料比较能够承受爆炸产生的冲击波,但片状射流既然能切割弹丸,当然也就能破坏装甲材料,包括车体上正当其峰的部位,为了消除或减少间接伤害,又使用了常规反应装甲结构的平板形射流破坏装药作为自保装药,以破坏射流的最佳角度倾斜于本单元聚能切割装药射流方向安置在该单元聚能切割装药的对侧,由聚能切割装药射流引爆而阻拦其通过,这样可以在相当程度上保护该方向上的装置(当然该方向的装置仍需一定装甲防护,否则仍难免受损)。由于单元内部炸药比常规反应装甲的少很多,也消除了面向基底装甲的大的接触平面,加上采用保护装药设计,可以增大这种反应装甲在车辆上的可加装面积。

5) 为了消除聚能所必需长度内的防御薄弱区域,在一个装甲单元后面反向加装一个经改动的单元,以对抗射中前者低效区从而穿过的弹丸。由于有前面单元的侧踢棱边,后面的单元可以不必采用棱边设计,但为了保护自身的铰链,反向单元中也要有自保装药。

6) 对于聚能装药方向背离车体且仍处于集中状态的射流不会伤及本车的单元,特别是那些聚能开口朝向车体上方的单元,在射流方向上留个薄弱的“窗口”是更能利用射流能力的好办法,在计算机控制的情况下,单元不仅可对命中其反应防御区内的弹丸实施对抗,而且可根据需要将射流向外射出,以对抗类似“比尔”这样的空炸攻顶导弹。“窗口”实际上也有较薄的材料封住以密封单元,用于具体位置时各装甲单元也可能设有铰接板限位块,防止铰接板过度摆动产生不良影响,并帮助其复位以作为间隔装甲使用。为此,铰链必须同在上侧。

7) 由于车辆各面上的装甲具有不同的倾角,为了提供更理想的防护,本方案中位于前方的装甲也具有为不同安装角度而个别设计的角度,比照图 3与图 4右图不难发现这点,而最后的图 6也显示了这种特征。

8) 当某一区域面对威胁较大时,很自然应该在此放置更多层的装甲单元以提供高等级的附加防护,而前方单元因为形状原因只能作为最外面的单元,并且在一个组合中只能使用一个,而图 4左图所示的后方单元因为有“窗口”不利于倒置使用,此时使用图 4中图所示的中间单元,用于与后方单元进行对置重叠实现高等级附加防护,其示意图见图 5。注意聚能装药开口指向车辆本体的单元只能是前方单元和中间单元,而为了利用后方单元留有“窗口”以对抗攻顶弹的功能,聚能装药开口背离车辆本体的单元最好全部使用后方单元。当然,如果威胁不是很严重,可以象图 3那样仅使用前方单元和后方单元组合提供较低等级的附加防护。


一种用于重型装甲车辆的反应装甲


图 4 不同的装甲单元

图中3.板背面的传感网络,4.V型聚能切割装药, 6.背板,7.前板,8.保护铰链臂的射流破坏装药,9.保护背板的射流破坏装药,10.单元背板上的插头,11.单元前板上的插座。


一种用于重型装甲车辆的反应装甲


图 5 高等级防护使用的多重布置

9) 为了使用上的方便,本装甲采用模块化形式,不过由于有活动部件,不能采用传统的螺接方式,以防影响铰接板或减少防护区,可以考虑用容易被某种无毒溶剂溶解的金属胶粘在主装甲板上,并且各单元之间也可互粘,相互间定位方便,也便于更换。

10) 电气连接方面,由于同德国装甲一样,各装甲单元都需要有各自的信号线连接控制计算机,对信号线的硬、软防护都是关系到装甲单元能否发挥作用的重要问题。在此使用内埋式布线方式,即在各单元背板铰链部位背面设置插头,以插入该单元背后的附加装甲单元前板或车辆主装甲上设置的插座,由于前方单元在整套组合装甲中始终处在最靠前的位置,故前方单元前板上不设插座。信号线通过各单元前板与背板之间铰链的方法可以仿照翻盖手机,但此时铰链旋转次数有限而受冲击较大,结构上设计的重点可能会有所不同。在后方单元和中间单元内可以有逻辑选通电路,以在该单元前方仍有与其对抗命中区域相同但未失效的单元时关闭本单元的传感网络向控制计算机(实际是本单元背板上的插头)传递信号的通路,而将该通路留给本单元前方的单元,这样便于多单元灵活组合,而该逻辑实现起来也不难。

4. 设计难点

1) 由于铰接板在抗击一次直接命中(不包括铰链位置)后仍需保留,故对其材料、尺寸都要有一定要求,暂不考虑铰接板本身在抗击中的变形损坏,在铰接板的铰链副与板体材料一致的情况下,以销子的强度计算公式可以粗略算出铰链直径×铰链长度(mm×mm)=30×铰接板厚度×(σb(HIGH SPEED)/σs)/cos(临界损坏预定角),以对抗美国M829A1穿甲弹为例,其弹芯直径30mm,在铰接板厚度60mm、材料σb(HIGH SPEED)/σs为2、要求铰链抗击的临界损坏预定角定为60°时,典型值接近7200,一组尺寸对是40mm铰链直径和180mm的铰链长度,保守确定装甲单元的防护宽度为400mm,虽然此值比一般的三明治式反应装甲大接近一倍,但由于此值是在发明人对很多装甲设计技术不甚了解的情况下作出的保守估算,经过后期的专业设计,应该不难达到合适尺寸——注意到在此将铰接板厚度设定为60mm,若将其减到30mm,很明显此厚度仍能提供相当防护力(尚未计及背板厚度),则粗略估算结果就比较合理了。

2) 另外需要从反应时间的角度讨论结构问题是否需要象德国装甲那样前置传感器。看来,是否需要前置主要取决于从数据采集到实施对抗所产生的时间延迟,只要延迟足够小,小到在单元作出反应前通过的侵彻物质不能穿透单元后方的主装甲,同时其长度不够触发该单元之后可能存在的下一单元,那么就不需要前置传感器,而可以将传感网络布设在单元前后装甲板内侧面上。这也意味着可以减薄单元厚度,从而可以在保持防护力的同时减小重量和车辆外廓尺寸。如果必须前置传感器,可以考虑正、反向单元共用一个传感单元,而各自优选对应对抗区不同,以使由该两个单元组成的组可以对第一次命中其覆盖范围的弹丸优选一个单元进行对抗,这样总效果优于两单元各自为战,并且可以减薄总厚度。目前看来,在长杆弹速度不超过2000m/s、破甲弹射流不超过5000m/s、单元厚度在厘米量级,即穿过本单元时间以μs计,而计算机主频高达1GHz、外频100MHz以上的情况下,较好的硬件和软件应该是足以保证反应装甲不靠前置传感器进行工作的。


一种用于重型装甲车辆的反应装甲


图 6 用于坦克的效果图


本文内容为我个人原创作品,申请原创加分

[ 转自铁血社区 http://bbs.tiexue.net/ ]

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