張宗科（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011）

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美國氣墊登陸艇裝甲防護技術(shù)發(fā)展及其對總體性能的影響

張宗科
（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011）

［摘 要］美國氣墊登陸艇(LCAC)的艇體浮箱及上層建筑均為焊接鋁結(jié)構(gòu)，板厚較薄，防彈能力較差，LCAC對駕駛艙等重要部位采用額外裝甲進行防護。隨著輕質(zhì)裝甲材料的發(fā)展，其單位面積質(zhì)量大為減輕，LCAC將裝甲防護范圍進一步擴大，以增強中彈后的返航能力。文章系統(tǒng)介紹LCAC裝甲防護技術(shù)的發(fā)展，并就裝甲防護對總體性能的影響進行分析，也可為國內(nèi)氣墊船的技術(shù)發(fā)展提供借鑒。

［關(guān)鍵詞］氣墊登陸艇；輕質(zhì)裝甲；總體性能；防護要求

引 言

美國氣墊登陸艇（下文簡稱“LCAC”）的使命是，由艦到岸運載海軍的空中/地面任務(wù)部隊之攻擊分隊的武器系統(tǒng)、設(shè)備、給養(yǎng)及人員，實現(xiàn)超越式干登陸。150 噸級的LCAC墊態(tài)總長28.0 m、總寬14.5 m，依靠圍裙氣墊系統(tǒng)墊態(tài)航行，由尾置的兩套變距空氣螺旋槳推進，航速超過40 kn。LCAC能從地平線（距岸12～100 n mile）外發(fā)起超視距登陸，不受潮汐及水文條件限制，全世界可供登陸的海岸線由17%激增到70%以上，提高了兩棲登陸的突然性，與直升飛機一起實現(xiàn)了立體登陸，增加兩棲戰(zhàn)的維度。LCAC從19世紀80年代服役以來，先后制造了91艘，裝備于2個艇隊，一直處于不斷發(fā)展之中。LCAC為全墊升氣墊船，介于航空與造船兩個行業(yè)之間，對船體質(zhì)量要求嚴格，艇體浮箱及上層建筑均為焊接鋁結(jié)構(gòu)，板厚較薄［1］。作為戰(zhàn)斗艦艇，駕駛艙等重要部位的防彈能力較差，LCAC在這些部位采用額外裝甲進行防護。隨著裝甲技術(shù)的發(fā)展，LCAC采用更輕便的輕質(zhì)裝甲，并依次將裝甲范圍擴大到主機艙外側(cè)壁、主機艙后端壁外露設(shè)備、人員及設(shè)備艙，以提高艇生命力。板，四周包以鋁合金邊框并用氯丁橡膠填充縫隙粘結(jié)（見圖2）。

圖2　裝甲防護組件

1 LCAC裝甲防護早期發(fā)展

LCAC首制艇于1984年12月交付，該艇在右舷的駕駛艙前壁、內(nèi)側(cè)壁、外側(cè)壁及艙頂采用裝甲防護，駕駛窗采用防彈玻璃以保護艇員人身安全。裝甲防護板為外敷式，在艇體上預先設(shè)置安裝支架接口，以便于拆裝裝甲防護板（見圖1）［2］。裝甲防護板組件大部分為規(guī)整的矩形，中間為裝甲防護

1989/1990財政年的建造合同采購的LCAC （34～60）則將裝甲防護擴展到機艙外側(cè)以保護主機。1991財政年采購的LCAC（61～72）更進一步裝甲防護主機艙頂、15號肋位（機艙后端壁）之后外露設(shè)備包覆裝甲，同時使其免受惡劣環(huán)境影響。LCAC 61實艇使用結(jié)果表明：主機艙后端壁外掛設(shè)備包覆裝甲板改善了其后導管空氣螺旋槳進氣流場，提高了推進效率，使艇在較小螺距角下即可達到高航速。

圖3　LCAC主機艙內(nèi)兩主機偏上布置及機艙外側(cè)壁后部偏上區(qū)域裝甲防護

圖4　LCAC 15號肋位主機艙后部外露設(shè)備裝甲防護

1993年，NAVSEA與NSWC采取了三方面的措施，以改善LCAC上防彈玻璃遇到的問題。針對LCAC（1～33）采用Pittsburgh Plate Glass （PPG）玻璃出現(xiàn)的起霧/云斑現(xiàn)象，經(jīng)分析原因為濕氣與最內(nèi)一層玻璃及聚碳酸酯填充層之間的粘劑接觸發(fā)生反應(yīng)所致，玻璃制造廠家準備用聚氨脂取代原膠粘劑。而LCAC（34～91）則更改設(shè)計換用Sierraicn/Transtech公司的防彈玻璃。再就是提高低碎片或無碎片防彈玻璃設(shè)計要求，包括抗強沖擊波、防彈性能、抗碎、抗刮擦、透光率、抗電磁干擾及電磁沖擊防護等方面。

LCAC為成建制運送兵員而專門研制了人員輸送專用模塊（PTM），在其研制初期甚至也建議采用額外的裝甲板以增強防護。

ACU4艇隊的LCAC高級船體技術(shù)員Terry Williams于2000年開發(fā)了1套工裝，可在拆裝裝甲防護板過程中使防護板精確就位，從而提高了拆裝效率；并于2001年提出將裝甲防護板輔助支架設(shè)計改進為永久性支架以方便防護板拆裝時的定位及約束。

2 LCAC裝甲防護改進

2004年NAVSEA提出輕型裝甲防護板的研發(fā)計劃并規(guī)定了具體的指標要求、裝甲能抵抗穿甲彈和所要求的多重有限沖擊能力，并能承受鹽霧及高速沙粒沖擊。

LCAC裝甲防護隨艇設(shè)計改進而發(fā)展演化。早期的LCAC裝有防彈玻璃，駕駛艙設(shè)有裝甲以保護艇員。艇改裝及建造設(shè)計的改進則將防護區(qū)域擴展到包括后主機艙以尋求中彈后返航能力。LCAC 61及后續(xù)艇設(shè)置了“狗籠”以進一步保護15號肋位之后的外露設(shè)備。NWWC PC開始評估改進現(xiàn)有裝甲，通過充分市場調(diào)研來確定滿足LCAC要求的裝甲技術(shù)狀態(tài)，尤其是質(zhì)量和費用。

LCAC現(xiàn)有裝甲面密度超過63.5 kg/m2，等效新型裝甲應(yīng)小于43.9 kg/m2，能顯著減輕質(zhì)量或增強防護能力。PMS377J給艇隊的建議方案是，制造一定數(shù)量的輕質(zhì)裝甲套件，當需要時可從1艘艇快速轉(zhuǎn)裝到另1艘艇上。該方案將避免替換損壞的現(xiàn)有裝甲，確保大量資金可用于研發(fā)與購買輕質(zhì)替換裝甲。隨艇隊發(fā)展，輕質(zhì)裝甲重點轉(zhuǎn)移到研發(fā)裝甲安裝套件上?；诖耍琇CAC裝甲工作采用以下策略：

（1）采購12艇套輕質(zhì)裝甲，用其替換駕駛艙與主機艙的現(xiàn)有重裝甲。

（2）研發(fā)、驗證并采購12艇套快拆機構(gòu)，但如何將輕質(zhì)裝甲裝艇需進一步驗證。

（3）研發(fā)利用艇體上已有結(jié)構(gòu)支撐物的裝甲安裝系統(tǒng)，但允許裝甲在不同艇之間快速拆裝，采購并安裝艇體永久接口界面組件，使輕質(zhì)裝甲不需要明火作業(yè)即可裝艇。

基于某些原因，包括開發(fā)1套可適用于任何艇的簡單組件，以下幾項將不作為輕質(zhì)裝甲的努力方向：

（1）安裝有“狗籠”裝甲的滑油冷卻器與螺旋槳聯(lián)軸器防護板將不被替換。

（2）參照艇改裝方案435D的研發(fā)，“狗籠”裝甲將不用輕質(zhì)裝甲替換。

另外一些正在考慮的因素如下：

（1）用輕質(zhì)結(jié)構(gòu)或裝甲板替換后機艙艙頂蓋，改進艙頂蓋以便換裝輕質(zhì)裝甲。LCAC（1～60）此區(qū)域內(nèi)的現(xiàn)有艙頂蓋也可作些改進以形成額外防護。

（2）防彈屏障將不會用于保護人員及設(shè)備艙的前艙壁、內(nèi)側(cè)壁以及駕駛艙的內(nèi)側(cè)壁（以擴大防護）。

可以預期，輕質(zhì)裝甲的研發(fā)將會帶來完全有利的全船質(zhì)量分布影響，更輕的裝甲將會減少艇尾傾及右傾。

參照軍標MIL-PRF-46103E（輕質(zhì)復合裝甲性能指標）［3］、MIL-STD-810（環(huán)境測試方法與工程指南）［4］、ASTM D-635（塑料制品處于水平狀態(tài)時燃燒率與/或擴散率及燃燒時間標準測試方法）、MIL-STD-129（運輸與儲存軍用標識），于2004年7月制定LCAC便攜式輕質(zhì)裝甲的技術(shù)要求，裝甲板組件需按照NAVSEA圖紙164-7403836進行制造，中間裝甲的最大厚度指標為1.00 in（測量方法為板四個邊角各隨機取一測點、以及中心點取為測點，總共5處），而鋁合金包邊與氯丁橡膠保護邊的厚度指標為0.035 m。在結(jié)構(gòu)強度方面，裝甲板組件除需滿足軍標MIL-PRF-46103E對裝甲及其保護邊的結(jié)構(gòu)要求外，在屈服載荷作用下應(yīng)能不過渡變形、屈服（即最大允許應(yīng)變≤0.2%）或者損失可用性，并且在艇用條件的加速度范圍（縱向±2.0 g、橫向±1.0 g、垂向±2.0 g）內(nèi)的加速所致極限載荷作用下不能失效；此外還需承受航行過程中的上浪沖擊，不同部位的等效靜壓載荷見表1，參照上述靜壓載荷，屈服安全因子取1.0，極限安全因子取1.5。

表1　需設(shè)置裝甲防護的艙壁承受上浪沖擊的等效靜壓載荷

裝甲板面密度不超過43.9 kg/m2，制造商需提供每片裝甲板組件的質(zhì)量信息。制造商代碼、合同號、序列號、生產(chǎn)日期、NAVSEA圖紙164-7403836上的零件號、技術(shù)要求文號與“BACK”標號，都應(yīng)永久標識在每片裝甲板組件的背面。若無特殊規(guī)定，只要所有性能、操作、環(huán)境及標識要求均能滿足，裝甲板材料則由制造商自行確定。組成裝甲板襯片的最大邊長為0.127 m，襯片的最大表面積為0.016 m2。

在環(huán)境適應(yīng)性方面，除執(zhí)行MIL-PRF-46103E中的相關(guān)環(huán)境測試外，還希望測試裝甲及其防護包邊驗證能經(jīng)受以下環(huán)境條件，而不出現(xiàn)性能消弱或退化。環(huán)境測試內(nèi)容包括潮濕、霉菌、鹽霧、灰塵（細沙），測試方法與流程需遵照MIL-STD-810中有關(guān)規(guī)定。環(huán)境溫度為-34℃～+93℃（未受載狀態(tài)下，持續(xù)時間不超過0.5 h），第1片裝甲板組件應(yīng)進行所有環(huán)境適應(yīng)性測試。對于第1片裝甲板組件，除按照MIL-STD-46103E進行防彈能力測試外，還需作極限溫度耐受測試，即裝甲板組件撫平破碎區(qū)（除非破碎集中于裝甲板的某一區(qū)域）及破碎邊緣，在烤箱內(nèi)加熱至71±2℃并維持恒溫6±0.25 h，試件隨后被冷卻至室溫，再放入冷箱內(nèi)降溫至-54±2℃并恒溫維持6±0.25 h，取出后加熱至室溫，檢查邊緣是否脫層。指標要求裝甲復合結(jié)構(gòu)內(nèi)無脫層。

除本技術(shù)要求特別排除或修改之外，裝甲應(yīng)遵從軍標MIL-STD-46103E的所有要求，裝甲組件應(yīng)確認符合NAVSEA圖紙164-7403836的尺寸要求，防彈能力應(yīng)達到或超過本技術(shù)要求附錄A中給定指標。按照本技術(shù)要求制造的任何裝甲板進行防彈測試前，應(yīng)向NSWC PCD提交防彈測試設(shè)施認證書并獲得批準。類型、等級、名義厚度與制造工藝相同的同一批次裝甲板的最大數(shù)量是180片，它們在單個制造周期內(nèi)連續(xù)制造或同次提交檢查。在防彈測試中，若每次射擊后檢查顯示裝甲測試件前層、后層未受損或狀態(tài)良好，需增加額外射擊，彈著點至少距其他已有彈著點或其損壞區(qū)域在3倍子彈直徑范圍外。每批次防彈測試應(yīng)達到V50防彈能力指標要求［5］，且需提交測試報告。

在批次抽檢方面，規(guī)定一個生產(chǎn)批次按照合同提交的產(chǎn)品，應(yīng)不超過180片裝甲板組件。參照軍標MIL-STD-46103E，制造的第1批180片裝甲板組件被定義為初始生產(chǎn)批次，其隨機抽檢數(shù)為4片，而隨后生產(chǎn)批次的裝甲板組件抽檢數(shù)為2片。按MIL-STD-46103E要求測試后，由制造商負責替換隨機抽檢的測試件，以保證裝甲板組件滿額。

同時明確了有效命中的定義，是指子彈以小于30°的彈道偏角、±5°的入射角擊中受測試件距邊緣至少0.038m的未受支撐區(qū)域，且位于距復合裝甲拼接點±2倍的子彈直徑范圍內(nèi)［6］。新彈著點距已有彈著點或已損壞區(qū)域距離應(yīng)不小于3倍子彈直徑。其中，入射角是指子彈飛行線與受測試件外表面上彈著點切面法線之間的夾角，也稱為傾斜角（見圖5）［7］。

圖5　防彈測試入射角示意圖

圖6　LCAC人員及設(shè)備艙外側(cè)壁輕質(zhì)裝甲

2005年，NSWC PC（Naval Surface Warfare Center-Panama City）的LCAC In-Service-Engineering-Agent （ISEA）尋求設(shè)計便攜式裝甲組件，以便用更輕防護裝甲替換LCAC現(xiàn)有主要裝甲，并將裝甲范圍擴展到人員及設(shè)備艙的外側(cè)壁及駕駛艙后端壁，目前上述兩處未作裝甲防護。經(jīng)充分市場調(diào)研后確定防護裝甲技術(shù)現(xiàn)狀，發(fā)布正式征求意見稿，收集對LCAC防護裝甲的反饋意見。

2005年2月位于加州Costa Mesa的Ceradyne公司通過競爭首次贏得高達280萬美元的LCAC防護裝甲合同［8］。Ceradyne輕質(zhì)陶瓷裝甲的面密度為43.9 kg/m2，相對于LCAC現(xiàn)有裝甲質(zhì)量63.5 kg/m2，減重34%。Ceradyne于2005年6月向NSWC-PC提交第1片裝甲用于環(huán)境適應(yīng)性及防彈能力測試，在測試通過后開始制造輕質(zhì)裝甲。NSWC PC于2005年9月在巴拿馬城的1艘延壽艇上使用模擬板進行了裝甲安裝測試，隨后PMS377J與艇隊代表召開設(shè)計評審會，提出安裝測試意見并反饋改進建議。Ceradyne按計劃于10月底提交6艇套裝甲板，11月底再提交5艇套，12月底提交最后5艇套，總計16艇套輕質(zhì)裝甲板。

2006年ArmorWorks贏得價值330萬美元的LCAC輕質(zhì)裝甲合同，2007年又獲得價值106.020 8萬美元制造430片輕質(zhì)裝甲的追加合同。

2008年6月Ceradyne戰(zhàn)勝ArmorWorks又贏得價值49.449萬美元的LCAC輕質(zhì)裝甲合同［9］，6個月內(nèi)提供3艇套裝甲板（共174片）。裝甲板按照NAVSEA圖紙53711-164-7403836C進行制造，滿足軍標MIL-STD-662F中防彈能力要求及MIL-STD-810中潮濕、灰塵、鹽霧及霉菌等環(huán)境適應(yīng)性要求。

2011年5月ArmorWorks通過競爭贏得價值60萬美元為LCAC提供4艇套輕質(zhì)復合裝甲（共232片）的合同［10］，同樣需遵循上述要求。

3 LCAC裝甲防護近期發(fā)展

在LCAC海軍采購計劃中，特別提出LC007項——輕質(zhì)裝甲。即采購便攜式輕質(zhì)裝甲系統(tǒng)替代現(xiàn)有裝甲系統(tǒng)，便攜式系統(tǒng)可由集成快遞（CONEX）箱子運送，為兩棲攻擊艇隊的LCAC艇上有人部位以及選定的機械部件提供防彈/碎片保護。其中，2013財政年采購14艇套防護裝甲、2014財政年亦采購14艇套［11］。新型輕質(zhì)裝甲的采購信息見表2。

表2　新型輕質(zhì)裝甲的年度采購統(tǒng)計

2014年1月28日，NSEWC PC又專門提出針對LCAC人員及設(shè)備艙外側(cè)壁輕質(zhì)裝甲的工作要求，2014年8月PROTECTIVE GROUP公司贏得了價值77 749.65美元的合同［12］，按照NAVSEA圖紙164-7403836 REV C為LCAC人員及設(shè)備艙提供7艇套裝甲，每套內(nèi)含零件號為164-7403836-001的裝甲板7片、零件號164-7403836-025的2片和零件號164-7403836-027的1片。合同簽訂60天內(nèi)，需向NSWC PCD提交第1片裝甲板組件，用于防彈能力及環(huán)境適應(yīng)性測試?？梢园l(fā)現(xiàn)，人員及設(shè)備艙外側(cè)壁在垂直方向特別增設(shè)1條用于裝甲防護安裝的橫向支架。

4 LCAC裝甲防護對總體性能的影響

LCAC駕駛艙防護裝甲的重量經(jīng)估算約為1.5 t，橫向重心力臂約為5 m，產(chǎn)生的向右橫傾力矩較大，經(jīng)估算導致的橫傾角接近0.7°。從LCAC的總布置看，主機艙、風機、導管槳、首推器等基本為左右對稱布置，而右側(cè)駕駛艙本來就比左舷的人員設(shè)備艙尺寸和質(zhì)量大，整船重心位置橫向偏右。主機艙外側(cè)后部即15號后外露設(shè)備的包覆裝甲為左右對稱，僅與縱傾調(diào)整有關(guān)，而與橫傾無關(guān)。因此駕駛艙防護裝甲減重是非常重要的，正如Ceradyne副總Marc King在2005年中標后特別指出，較小裝甲質(zhì)量是公司中標的關(guān)鍵因素。NSWC PCD也要求制造商提交每1片裝甲板組件的具體質(zhì)量信息，以便準確統(tǒng)計整艇套裝甲的質(zhì)量，用于LCAC質(zhì)量與重心計算。

1998年，日本從美國購買2艘LCAC（即出口型氣墊船TACC），以用于“大隅”級登陸艦LST 4001母艦塢載。母艦塢艙長60 m、寬16 m，可容納2艘TACC，但塢艙凈空高度小于美國LSD49級。日本海上自衛(wèi)隊先后從美國購買6艘TACC，2001年第4季度交付第3艘，2002年第1季度交付第4艘，2002年下半年交付第5艘與第6艘。目前日本6艘TACC圍裙高度均為1.5 m而未采用2.1 m的深型圍裙，這也許與日本塢艙高度較小有關(guān)。TACC未采用裝甲防護，駕駛窗也未采用防彈玻璃。在美國技術(shù)援助下，2007年5月服役的韓國新型高速氣墊登陸艇LSF-II則采用全套裝甲防護與防彈玻璃，參見下頁圖8艇體上的藍色部分。

圖7　日本TACC駕駛艙未采用裝甲防護

圖8　韓國LSF-II艇體裝甲防護區(qū)域示意圖

由于氣墊登陸艇存在阻力峰，越峰前后艇的性能有本質(zhì)的區(qū)別，尤其是艇越峰前存在圍裙觸水面積大、阻力大、航行穩(wěn)定性差等不利特點，而縱橫傾姿態(tài)及艇重對越峰影響甚大。LCAC規(guī)定每艘艇每年必須空船稱重一次以便準確掌握質(zhì)量重心，將空艇質(zhì)量記錄在艇上標牌內(nèi)，以便輸入專門研發(fā)的手持式LCAC配載儀中，再結(jié)合風浪條件、航程、燃油裝載等，進行LCAC質(zhì)量分配計算，確定艇該次航行任務(wù)允許的最大裝載量［13］。LCAC燃油艙分為4個，且處于四角布置并設(shè)有燃油調(diào)撥系統(tǒng)，在航行過程中可動態(tài)調(diào)整艇縱傾與橫傾姿態(tài)。為提高燃油系統(tǒng)生命力，明確規(guī)定右舷油艙為后部主機供油，左舷油艙為前部主機供油。

同時，隨著便攜式防護裝甲的開發(fā)，在艇上預裝防護裝甲安裝支架，而僅當戰(zhàn)時才實現(xiàn)防護裝甲快速裝艇（見圖9）。

圖9　LCAC 40上預先安裝的防護裝甲安裝支架

從LCAC升級換代品—艦岸連接器（SSC/ LCAC 100）［14］中標制造商Textron Marine團隊公布的SSC效果圖看，SSC右舷前部的駕駛艙外側(cè)壁及前端壁采用裝甲防護（見圖10）。SSC重心偏右的情況仍然存在，除保持艇體浮箱4個邊角各設(shè)置1個燃油艙外，在艇中部偏左設(shè)置為主機供油的日用中燃油艙［15］，進一步擴大利用燃油調(diào)撥調(diào)整壓載能力，增強航行過程中縱傾/橫傾的動態(tài)調(diào)節(jié)（見圖11）。

圖10　SSC效果圖

圖11　SSC布置在浮箱內(nèi)4個邊角的油艙及中部偏左的日用油艙

5 結(jié) 論

LCAC自1984年12月服役以來，至今已逾30年，從未間斷的技術(shù)改進是其保持生命力的基礎(chǔ)［16］。本文系統(tǒng)介紹了LCAC裝甲防護的發(fā)展歷程及其對總體性能的影響，發(fā)現(xiàn)LCAC裝甲防護材料及防護范圍的擴大是一個循序漸進的過程。對于氣墊登陸艇而言，質(zhì)量控制極其嚴格（甚至嚴苛）。氣墊登陸艇存在高速低頭埋首、低速側(cè)滑翻船的風險，縱傾與橫傾航行姿態(tài)必須處于安全范圍之內(nèi)［17］。無論是LCAC還是SSC都努力采取一切措施（主要是油艙四角布置及燃油調(diào)撥系統(tǒng)），都應(yīng)確保航行過程中可動態(tài)調(diào)整艇縱傾與橫傾。在滿足防彈能力、質(zhì)量、高鹽霧及沙粒高速沖擊使用環(huán)境等防護要求的前提下，防護裝甲質(zhì)量減輕是關(guān)鍵。隨著便攜式防護裝甲的開發(fā)，在艇上預裝防護裝甲安裝支架，僅在戰(zhàn)時實現(xiàn)防護裝甲快速裝艇，是一種較好的處理措施。裝甲防護設(shè)計一切從實際需要出發(fā)，先進行實船試用，再逐步予以推廣。

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US LCAC’s armor protection technique and its infl uence on overall performance

ZHANG Zong-ke
(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

Abstract:The body pontoon and superstructure of US's air-cushioned landing craft (LCAC) are all made of welding aluminum. The characteristics of thin plate and relatively poor bulletproof capability result in the additional armor to protect the navigation room for the LCAC. As the weight of armor per unit area reduces greatly with the development of the light armor material, the armored area of LCAC will be enlarged to enhance the capability of the inward journey after shot. This paper systematically summarizes the development of the armor protection technique, and analyzes the influence of the armor protection on the overall performance. It can provide reference for the development of LCAC in China.

Keywords:LCAC; light armor; overall performance; protection requirements

［作者簡介］張宗科（1973-），男，高級工程師，研究方向：氣墊船設(shè)計與研究。

［收稿日期］2015-02-12；［修回日期］2015-03-20

［中圖分類號］U674.943

［文獻標志碼］A

［文章編號］1001-9855（2016）01-0021-08