軍機防護裝甲的設計研究

黃 穎，余志明，許小妹，林 雷，江 鵬，宋林林，金媛媛

（航空工業洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

現代戰爭中，空中力量在決定戰爭勝負中起著越來越重要的作用，空軍除了需首先奪取戰場制空權外，還擔負著大量的對地攻擊任務[1]。隨著地面防空力量的不斷增強，執行對地攻擊的軍機面臨著越來越嚴重的地面火力威脅，因此作戰飛機特別是對地攻擊飛機的設計必須考慮在戰場上的高生存能力，并普遍使用防護裝甲技術，以提高機體抗彈能力，在完成作戰任務的同時保證飛行員的生命安全。

軍機使用防護裝甲必然會占用一定的機體空間，造成飛機重量增加，進而影響軍機的作戰性能，故在選擇合適的防護等級情況下，選取先進的防彈材料、恰當的防護部位和合理的防護結構是飛機防護能力設計的關鍵要素。

1 國外軍機防護裝甲運用實例

美國的AH-64“阿帕奇”專用武裝直升機是當今世界上技術最先進，火力最強，具有高生存力的武裝直升機[2]。在座艙周圍及彈射座椅上采用了大量的碳化硼陶瓷/芳綸、氧化鋁陶瓷/玻璃纖維復合材料輕質裝甲，飛機旋翼為玻璃纖維復合材料多梁和玻璃纖維/Nomex蜂窩夾層的后段結構，具有高的抗彈損傷性能。圖1所示為AH-64武裝直升機的主要防護部位和相應的防護材料。

AH-IJ/T/W/S武裝直升機如圖2所示，該機具有較高的戰場生存力，在座椅及座艙周圍大量使用了碳化硼/芳綸、氧化鋁/玻璃鋼輕質復合材料裝甲。同時在傳動系統的關鍵位置裝有碳化鎢軸承套，使槳葉系統具有抗23mm炮彈的能力。

圖1 AH-64武裝直升機主要防護部位及防彈材料

圖2 AH-IJ/T/W/S武裝直升機

美國UH-60武裝直升機在設計中也重點強調戰場生存力，其旋翼系統具有對7.62mm槍彈的抵抗力，在受23mm高爆彈打擊后仍能具有一定的續航力，并在座椅和飛機的關鍵部位采用了B4C陶瓷和Kevlar高性能纖維復合材料復合裝甲，如圖3所示。

圖3 UH-60直升機機身裝甲配置圖

如圖4所示，A-10攻擊機(雷電)是美軍的主要攻擊機。A-10座艙周圍的防彈裝甲板呈盒形，機身腹部也有大量裝甲。A-10有兩個自封式機身油箱和兩個半封嚴機翼整體箱，油箱內均填充有網狀泡沫材料。座艙周圍的裝甲厚度為38mm，機身腹部的裝甲厚度為50mm，裝甲材料為鈦合金(有報道說是鈦合金/玻璃鋼復合材料)。

圖4 A-10攻擊機

意大利C-27J貨運飛機大量配置防彈裝甲，配置裝甲的部位有雷達、墻上裝甲板，飛行甲板，飛行員與副駕駛座椅，液氧瓶，氣態氧氣瓶與負載主站等，如圖5所示。

圖5意大利C-27J軍用運輸機及裝甲配置

2 防彈材料

二戰后期第一、二代軍機開始出現防護裝甲，材料均為高強度鋼或鈦合金的重裝甲，該類金屬防護裝甲較重，對飛機性能影響較大。60年代后期開始出現輕質高性能裝甲，三代機后期和四代機普遍采用減重效果更加明顯的新型輕質復合裝甲，如陶瓷/輕金屬、陶瓷/復合材料、純纖維復合材料等。

1）金屬板防彈材料

金屬板防彈材料是一種傳統的防彈裝甲設備，包括防彈鋼板、防彈鋁合金以及鈦合金。金屬板防彈材料強度高、韌性好，當遇到高速沖擊侵蝕時，金屬板防彈材料具有較高塑性變形能力且形變均勻，既能吸收高速子彈的動能，又可以避免材料的塑性變形局部集中而引起的開裂。

我國應用較多的是Cr-Ni系高強度鋼，如12MnCrNi合金鋼為船舶用防彈鋼板，高強度合金鋼F-3防彈鋼板作為飛機防彈板（我國某型機）。目前研究應用的鋁合金主要有7000系列（Al-Zn系列）、5000系列（Al-Mg系列）和2000系列（Al-Cu系列）。美國阿萊格尼技術公司研究開發的新型高強度鈦合金ATI425用于加工防彈裝甲板。

但金屬防彈材料質量大，勢必會影響武器裝備的戰術性能發揮。

2）陶瓷板防彈材料

陶瓷板防彈材料是上世紀70年代繼傳統金屬板防彈材料后，發展起來的新型防彈材料。陶瓷板材料具有極高的強硬度、彈性模量和相對金屬較低的密度，化學穩定性良好，耐高溫、耐沖蝕和耐磨損，能在減輕裝甲質量的基礎上很好地抵御高速穿甲彈的侵蝕。

目前，應用較為廣泛的有B4C和Al2O3陶瓷。B4C硬度最高，且密度最低，一向被認為是較理想的裝甲陶瓷，雖然其價格昂貴，但在保證性能的條件下，以減重為首要前提的裝甲系統中，B4C陶瓷仍有較多應用；Al2O3抗彈能力略低，密度較大，但具有燒結性能好，工藝成熟，制品尺寸穩定，生產成本低且原料豐富等優點，因而得到廣泛的使用；防彈性能介于B4C和Al2O3陶瓷之間的是SiC陶瓷，其硬度、彈性模量較高，密度居中，但由于工藝技術等的不完善，SiC陶瓷的發展受到限制，其性能對比見表1。

表1陶瓷材料性能對比

陶瓷板材的斷裂韌性低、常溫下熱膨脹系數小、對加工工藝要求較高和抗多發彈打擊能力差等缺點，故不能單獨承受沖擊時的彎曲載荷，較大的彎曲強度將使陶瓷表面呈現拉伸破壞，因此均質陶瓷材料還不能單獨用于防彈裝甲的制造，必須有背板作為剛性支撐底板才能發揮陶瓷優越的抗彈性能。

3）高性能纖維復合防彈材料

高性能纖維復合板防彈材料是采用一種或多種高性能纖維織物或鋪層，在一定的工藝條件下與樹脂基體復合而制得的具有一定防彈性能的材料。高性能纖維具有優異的物理化學性能，如低密度、高比強度和比模量、適當的斷裂伸長率和良好的耐腐蝕性等。用高性能纖維復合板材制成的防彈制品不僅質量輕、柔韌性好，而且可設計性強、成型工藝簡單。

目前廣泛使用的高性能纖維主要有玻璃纖維、碳纖維、芳綸、超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纖維等，這些纖維與一種或多種樹脂基體復合可以制成性能很好的防彈產品，其性能對比見表2。

表2纖維材料性能對比

4）組合防彈材料

組合防彈材料各組分在性能上相互取長補短，產生協同效應，可使其綜合性能相對于單一均質材料大大提高。將陶瓷板材料作為高性能纖維復合防彈材料的抗沖擊前板，代替笨重的合金材料應用在防彈裝甲上；在玻璃鋼中間夾入增韌聚丙烯制備的復合板材，其防彈效果比單一板材或以其他順序組合的復合板材更加優越；在燒結合金顆粒的鋼板基體上覆蓋混合均勻的塑料粉末，然后通過模壓成型獲得金屬塑料組合材料，既具有金屬材料的力學性能，又具有較好的阻尼減振性能，且使用壽命較長。

如圖6所示為直升機超輕型防彈裝甲的經典結構，以陶瓷為面板，纖維復合材料為背板，中間用膠粘劑粘結，陶瓷表面覆蓋一層尼龍止裂層[3]。

圖6超輕型防彈裝甲結構示意圖

3 防護等級及防護部位的選擇

防護等級越高、防護部位越大，勢必造成飛機結構重量的大幅度增加，故應根據飛機的防彈性能要求、作戰環境、飛機自身結構特點等分析出合理的防護等級及防護部位。

3.1 防護等級標準

目前國內尚未正式制定軍機防彈裝甲的防彈性能要求和彈道試驗的相關標準，一般參照美軍標（MIL-PRF-46103E）設計。該標準中的防彈等級按彈徑及速度分為以下4大類：

1）I類 5.56mm：

1級：M855初速度為945m/s的鋼尖鉛彈。

2）II類 7.62mm：

1級：初速度為869m/s的鉛芯或軟碳鋼芯彈；

2級：初速度為869m/s的硬碳鋼芯穿甲彈（AP）；

3級：初速度為1219m/s的高密度芯脫殼發射穿甲彈（SLAP）。

3）Ⅲ類 12.7mm：

1A級：1000米射距（487m/s）的軟鋼芯彈；

1B級：500米射距（610m/s）的軟鋼芯彈；

1C級：初速度為869m/s的軟鋼芯彈；

2A級：1000米射距（487m/s）的硬鋼芯穿甲彈（AP）；

2B級：500米射距（610m/s）的硬鋼芯穿甲彈（AP）；

2C級：初速度為869m/s的硬鋼芯穿甲彈（AP）；

3C級：初速度為1219m/s的高密度芯脫殼發射穿甲彈（SLAP）。

4）Ⅳ類 14.5mm：

1級：初速度為991m/s的硬鋼芯穿甲燃燒彈（API）B32；

2級：初速度為991m/s的硬鋼芯穿甲燃燒彈（API）BS-41。

3.2 國內外飛機防護等級的選擇

A-10攻擊機具有突出的戰場生存力，其優先考慮防彈生存力問題而非性能問題。全機能抵抗23mm彈的攻擊，抗彈能力為F-16戰斗機的10倍，防護能力達到了較高的極限。因此僅座艙和機身的裝甲重量就達到550Kg[3]。

美軍AH-64“阿帕奇”武裝直升機的防彈要求是，機身下半球任何部位被一發12.7mmAPM2彈（高射機槍穿甲燃燒彈）或機身95%表面任何部位被一發23mmHEIT彈（高炮高爆彈頭）擊中后，飛行員不致喪失操縱能力，仍可繼續飛行30分鐘。

美軍的AH1-J“眼鏡蛇”武裝直升機的燃油系統、傳動系統、槳葉系統可抗23mm航炮打擊，UH-60“黑鷹”三軍通用型運輸直升機旋翼系統具有對7.62mm槍彈的抵抗力，在受23mm炮彈打擊后仍具有一定的續航能力。

我國某型強擊機因設計時間較早，其防彈能力較低。九十年代進行的防彈性能檢測表明：8mm厚的F-3防彈鋼板用五四式12.7mm普通彈設計試驗，其臨界擊穿速度≤305m/s。4mm厚的F-3防彈鋼板的防彈性能更不理想，遠低于國外相關指標。

3.3 防護部位的選擇

防護裝甲的首要目的是保護飛行員的生命安全，一般情況下飛行員所在的部位—座艙，被視為最重要的防彈部位；其次為中彈后直接影響飛行員安全的部位，如油箱、彈藥艙、發動機等；再次為中彈后影響飛機安全的部位，如關鍵電子成件、液壓油管、操縱機構等。

圖7某型攻擊機的座艙防護方案

如圖7所示，某型攻擊機的座艙防護方案，其座艙地板及前端框，飛機兩側部分區域（飛行員身體部位）加裝防護裝甲，飛行座椅也可采用防彈座椅，飛行員使用防彈服及頭盔等。油箱內填充防火泡沫材料及沖入氮氣，保證飛機中彈時不會燃燒爆炸。尾部在發動機腹部增加防彈裝甲，保證中彈后飛機有動力安全返航。

4 防護結構形式

防護裝甲的結構形式一般分為一體式和可拆卸式（模塊化）。一體式防護裝甲將防彈裝甲作為結構承力的一部分，可以達到減重的目的，故可將座椅、各種成件外殼等可更換的防護結構按一體式來設計。但該防護結構出現損壞時，修理較困難。如某直升機的座椅由B4C陶瓷面板、碳纖維復合材料中間層、PE作為背板的組合結構，在結構承力的同時起到防彈的作用。

可拆卸式防護裝甲為機體內掛裝防護裝甲，防護裝甲在損壞時可以直接更換，模塊化設計后只需更換受損模塊即可；日常非戰斗任務時，可以將防護裝甲取下，降低飛行訓練成本。但該防護結構會占用不小的機體內部空間，且需布置可拆卸的連接結構。

5 結語

防護裝甲決定了飛機特別是近距空中支援飛機的戰場生存能力，而防護裝甲較大的重量影響了飛機作戰性能，在滿足飛機戰場生存能力條件下，防護裝甲減重是其設計的核心。本文通過對裝甲材料發展情況、防護部位、防護等級、防護結構形式進行分析研究，得出以下防護裝甲設計建議：

1）選擇防護裝甲材料時，在性能上相互取長補短，產生協同效應的輕質高性能復合防彈材料是較優的選擇；

2）根據飛機自身結構設計特點等，按對飛行員威脅程度分析出合理的防護部位區域，減少不必要的裝甲；

3）對執行低空攻擊任務最嚴重和最常見的是12.7mm口徑高射機槍穿甲燃燒彈，為平衡重量和性能，現今大多數飛機均選擇Ⅲ類2B級（12.7mm AP,V50≤610m/s）的防護等級；

4）一體式防護結構與可拆卸式防護結構相比較，一體式防護結構作為結構承力的一部分來設計可以降低重量；可拆卸式防護結構，模塊化設計，易于維護修理，可以降低飛行訓練成本。