黃 穎，余志明，許小妹，林 雷，江 鵬，宋林林，金媛媛

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，空中力量在決定戰(zhàn)爭(zhēng)勝負(fù)中起著越來(lái)越重要的作用，空軍除了需首先奪取戰(zhàn)場(chǎng)制空權(quán)外，還擔(dān)負(fù)著大量的對(duì)地攻擊任務(wù)[1]。隨著地面防空力量的不斷增強(qiáng)，執(zhí)行對(duì)地攻擊的軍機(jī)面臨著越來(lái)越嚴(yán)重的地面火力威脅，因此作戰(zhàn)飛機(jī)特別是對(duì)地攻擊飛機(jī)的設(shè)計(jì)必須考慮在戰(zhàn)場(chǎng)上的高生存能力，并普遍使用防護(hù)裝甲技術(shù)，以提高機(jī)體抗彈能力，在完成作戰(zhàn)任務(wù)的同時(shí)保證飛行員的生命安全。

軍機(jī)使用防護(hù)裝甲必然會(huì)占用一定的機(jī)體空間，造成飛機(jī)重量增加，進(jìn)而影響軍機(jī)的作戰(zhàn)性能，故在選擇合適的防護(hù)等級(jí)情況下，選取先進(jìn)的防彈材料、恰當(dāng)?shù)姆雷o(hù)部位和合理的防護(hù)結(jié)構(gòu)是飛機(jī)防護(hù)能力設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要素。

1 國(guó)外軍機(jī)防護(hù)裝甲運(yùn)用實(shí)例

美國(guó)的AH-64“阿帕奇”專用武裝直升機(jī)是當(dāng)今世界上技術(shù)最先進(jìn)，火力最強(qiáng)，具有高生存力的武裝直升機(jī)[2]。在座艙周?chē)皬椛渥紊喜捎昧舜罅康奶蓟鹛沾?芳綸、氧化鋁陶瓷/玻璃纖維復(fù)合材料輕質(zhì)裝甲，飛機(jī)旋翼為玻璃纖維復(fù)合材料多梁和玻璃纖維/Nomex蜂窩夾層的后段結(jié)構(gòu)，具有高的抗彈損傷性能。圖1所示為AH-64武裝直升機(jī)的主要防護(hù)部位和相應(yīng)的防護(hù)材料。

AH-IJ/T/W/S武裝直升機(jī)如圖2所示，該機(jī)具有較高的戰(zhàn)場(chǎng)生存力，在座椅及座艙周?chē)罅渴褂昧颂蓟?芳綸、氧化鋁/玻璃鋼輕質(zhì)復(fù)合材料裝甲。同時(shí)在傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵位置裝有碳化鎢軸承套，使槳葉系統(tǒng)具有抗23mm炮彈的能力。

圖1 AH-64武裝直升機(jī)主要防護(hù)部位及防彈材料

圖2 AH-IJ/T/W/S武裝直升機(jī)

美國(guó)UH-60武裝直升機(jī)在設(shè)計(jì)中也重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)戰(zhàn)場(chǎng)生存力，其旋翼系統(tǒng)具有對(duì)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(xù)航力，并在座椅和飛機(jī)的關(guān)鍵部位采用了B4C陶瓷和Kevlar高性能纖維復(fù)合材料復(fù)合裝甲，如圖3所示。

圖3 UH-60直升機(jī)機(jī)身裝甲配置圖

如圖4所示，A-10攻擊機(jī)(雷電)是美軍的主要攻擊機(jī)。A-10座艙周?chē)姆缽椦b甲板呈盒形，機(jī)身腹部也有大量裝甲。A-10有兩個(gè)自封式機(jī)身油箱和兩個(gè)半封嚴(yán)機(jī)翼整體箱，油箱內(nèi)均填充有網(wǎng)狀泡沫材料。座艙周?chē)难b甲厚度為38mm，機(jī)身腹部的裝甲厚度為50mm，裝甲材料為鈦合金(有報(bào)道說(shuō)是鈦合金/玻璃鋼復(fù)合材料)。

圖4 A-10攻擊機(jī)

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

圖5意大利C-27J軍用運(yùn)輸機(jī)及裝甲配置

2 防彈材料

二戰(zhàn)后期第一、二代軍機(jī)開(kāi)始出現(xiàn)防護(hù)裝甲，材料均為高強(qiáng)度鋼或鈦合金的重裝甲，該類(lèi)金屬防護(hù)裝甲較重，對(duì)飛機(jī)性能影響較大。60年代后期開(kāi)始出現(xiàn)輕質(zhì)高性能裝甲，三代機(jī)后期和四代機(jī)普遍采用減重效果更加明顯的新型輕質(zhì)復(fù)合裝甲，如陶瓷/輕金屬、陶瓷/復(fù)合材料、純纖維復(fù)合材料等。

1）金屬板防彈材料

金屬板防彈材料是一種傳統(tǒng)的防彈裝甲設(shè)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(qiáng)度高、韌性好，當(dāng)遇到高速?zèng)_擊侵蝕時(shí)，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(dòng)能，又可以避免材料的塑性變形局部集中而引起的開(kāi)裂。

我國(guó)應(yīng)用較多的是Cr-Ni系高強(qiáng)度鋼，如12MnCrNi合金鋼為船舶用防彈鋼板，高強(qiáng)度合金鋼F-3防彈鋼板作為飛機(jī)防彈板（我國(guó)某型機(jī)）。目前研究應(yīng)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(guó)阿萊格尼技術(shù)公司研究開(kāi)發(fā)的新型高強(qiáng)度鈦合金ATI425用于加工防彈裝甲板。

但金屬防彈材料質(zhì)量大，勢(shì)必會(huì)影響武器裝備的戰(zhàn)術(shù)性能發(fā)揮。

2）陶瓷板防彈材料

陶瓷板防彈材料是上世紀(jì)70年代繼傳統(tǒng)金屬板防彈材料后，發(fā)展起來(lái)的新型防彈材料。陶瓷板材料具有極高的強(qiáng)硬度、彈性模量和相對(duì)金屬較低的密度，化學(xué)穩(wěn)定性良好，耐高溫、耐沖蝕和耐磨損，能在減輕裝甲質(zhì)量的基礎(chǔ)上很好地抵御高速穿甲彈的侵蝕。

目前，應(yīng)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(rèn)為是較理想的裝甲陶瓷，雖然其價(jià)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(tǒng)中，B4C陶瓷仍有較多應(yīng)用；Al2O3抗彈能力略低，密度較大，但具有燒結(jié)性能好，工藝成熟，制品尺寸穩(wěn)定，生產(chǎn)成本低且原料豐富等優(yōu)點(diǎn)，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(shù)等的不完善，SiC陶瓷的發(fā)展受到限制，其性能對(duì)比見(jiàn)表1。

表1陶瓷材料性能對(duì)比

陶瓷板材的斷裂韌性低、常溫下熱膨脹系數(shù)小、對(duì)加工工藝要求較高和抗多發(fā)彈打擊能力差等缺點(diǎn)，故不能單獨(dú)承受沖擊時(shí)的彎曲載荷，較大的彎曲強(qiáng)度將使陶瓷表面呈現(xiàn)拉伸破壞，因此均質(zhì)陶瓷材料還不能單獨(dú)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(fā)揮陶瓷優(yōu)越的抗彈性能。

3）高性能纖維復(fù)合防彈材料

高性能纖維復(fù)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(shù)脂基體復(fù)合而制得的具有一定防彈性能的材料。高性能纖維具有優(yōu)異的物理化學(xué)性能，如低密度、高比強(qiáng)度和比模量、適當(dāng)?shù)臄嗔焉扉L(zhǎng)率和良好的耐腐蝕性等。用高性能纖維復(fù)合板材制成的防彈制品不僅質(zhì)量輕、柔韌性好，而且可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、成型工藝簡(jiǎn)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(shù)脂基體復(fù)合可以制成性能很好的防彈產(chǎn)品，其性能對(duì)比見(jiàn)表2。

表2纖維材料性能對(duì)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(zhǎng)補(bǔ)短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，可使其綜合性能相對(duì)于單一均質(zhì)材料大大提高。將陶瓷板材料作為高性能纖維復(fù)合防彈材料的抗沖擊前板，代替笨重的合金材料應(yīng)用在防彈裝甲上；在玻璃鋼中間夾入增韌聚丙烯制備的復(fù)合板材，其防彈效果比單一板材或以其他順序組合的復(fù)合板材更加優(yōu)越；在燒結(jié)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(guò)模壓成型獲得金屬塑料組合材料，既具有金屬材料的力學(xué)性能，又具有較好的阻尼減振性能，且使用壽命較長(zhǎng)。

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

圖6超輕型防彈裝甲結(jié)構(gòu)示意圖

3 防護(hù)等級(jí)及防護(hù)部位的選擇

防護(hù)等級(jí)越高、防護(hù)部位越大，勢(shì)必造成飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量的大幅度增加，故應(yīng)根據(jù)飛機(jī)的防彈性能要求、作戰(zhàn)環(huán)境、飛機(jī)自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等分析出合理的防護(hù)等級(jí)及防護(hù)部位。

3.1 防護(hù)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

目前國(guó)內(nèi)尚未正式制定軍機(jī)防彈裝甲的防彈性能要求和彈道試驗(yàn)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，一般參照美軍標(biāo)（MIL-PRF-46103E）設(shè)計(jì)。該標(biāo)準(zhǔn)中的防彈等級(jí)按彈徑及速度分為以下4大類(lèi)：

1）I類(lèi) 5.56mm：

1級(jí)：M855初速度為945m/s的鋼尖鉛彈。

2）II類(lèi) 7.62mm：

1級(jí)：初速度為869m/s的鉛芯或軟碳鋼芯彈；

2級(jí)：初速度為869m/s的硬碳鋼芯穿甲彈（AP）；

3級(jí)：初速度為1219m/s的高密度芯脫殼發(fā)射穿甲彈（SLAP）。

3）Ⅲ類(lèi) 12.7mm：

1A級(jí)：1000米射距（487m/s）的軟鋼芯彈；

1B級(jí)：500米射距（610m/s）的軟鋼芯彈；

1C級(jí)：初速度為869m/s的軟鋼芯彈；

2A級(jí)：1000米射距（487m/s）的硬鋼芯穿甲彈（AP）；

2B級(jí)：500米射距（610m/s）的硬鋼芯穿甲彈（AP）；

2C級(jí)：初速度為869m/s的硬鋼芯穿甲彈（AP）；

3C級(jí)：初速度為1219m/s的高密度芯脫殼發(fā)射穿甲彈（SLAP）。

4）Ⅳ類(lèi) 14.5mm：

1級(jí)：初速度為991m/s的硬鋼芯穿甲燃燒彈（API）B32；

2級(jí)：初速度為991m/s的硬鋼芯穿甲燃燒彈（API）BS-41。

3.2 國(guó)內(nèi)外飛機(jī)防護(hù)等級(jí)的選擇

A-10攻擊機(jī)具有突出的戰(zhàn)場(chǎng)生存力，其優(yōu)先考慮防彈生存力問(wèn)題而非性能問(wèn)題。全機(jī)能抵抗23mm彈的攻擊，抗彈能力為F-16戰(zhàn)斗機(jī)的10倍，防護(hù)能力達(dá)到了較高的極限。因此僅座艙和機(jī)身的裝甲重量就達(dá)到550Kg[3]。

美軍AH-64“阿帕奇”武裝直升機(jī)的防彈要求是，機(jī)身下半球任何部位被一發(fā)12.7mmAPM2彈（高射機(jī)槍穿甲燃燒彈）或機(jī)身95%表面任何部位被一發(fā)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(xù)飛行30分鐘。

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

我國(guó)某型強(qiáng)擊機(jī)因設(shè)計(jì)時(shí)間較早，其防彈能力較低。九十年代進(jìn)行的防彈性能檢測(cè)表明：8mm厚的F-3防彈鋼板用五四式12.7mm普通彈設(shè)計(jì)試驗(yàn)，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(yuǎn)低于國(guó)外相關(guān)指標(biāo)。

3.3 防護(hù)部位的選擇

防護(hù)裝甲的首要目的是保護(hù)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(fā)動(dòng)機(jī)等；再次為中彈后影響飛機(jī)安全的部位，如關(guān)鍵電子成件、液壓油管、操縱機(jī)構(gòu)等。

圖7某型攻擊機(jī)的座艙防護(hù)方案

如圖7所示，某型攻擊機(jī)的座艙防護(hù)方案，其座艙地板及前端框，飛機(jī)兩側(cè)部分區(qū)域（飛行員身體部位）加裝防護(hù)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(nèi)填充防火泡沫材料及沖入氮?dú)猓ＷC飛機(jī)中彈時(shí)不會(huì)燃燒爆炸。尾部在發(fā)動(dòng)機(jī)腹部增加防彈裝甲，保證中彈后飛機(jī)有動(dòng)力安全返航。

4 防護(hù)結(jié)構(gòu)形式

防護(hù)裝甲的結(jié)構(gòu)形式一般分為一體式和可拆卸式（模塊化）。一體式防護(hù)裝甲將防彈裝甲作為結(jié)構(gòu)承力的一部分，可以達(dá)到減重的目的，故可將座椅、各種成件外殼等可更換的防護(hù)結(jié)構(gòu)按一體式來(lái)設(shè)計(jì)。但該防護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損壞時(shí)，修理較困難。如某直升機(jī)的座椅由B4C陶瓷面板、碳纖維復(fù)合材料中間層、PE作為背板的組合結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)承力的同時(shí)起到防彈的作用。

可拆卸式防護(hù)裝甲為機(jī)體內(nèi)掛裝防護(hù)裝甲，防護(hù)裝甲在損壞時(shí)可以直接更換，模塊化設(shè)計(jì)后只需更換受損模塊即可；日常非戰(zhàn)斗任務(wù)時(shí)，可以將防護(hù)裝甲取下，降低飛行訓(xùn)練成本。但該防護(hù)結(jié)構(gòu)會(huì)占用不小的機(jī)體內(nèi)部空間，且需布置可拆卸的連接結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)語(yǔ)

防護(hù)裝甲決定了飛機(jī)特別是近距空中支援飛機(jī)的戰(zhàn)場(chǎng)生存能力，而防護(hù)裝甲較大的重量影響了飛機(jī)作戰(zhàn)性能，在滿足飛機(jī)戰(zhàn)場(chǎng)生存能力條件下，防護(hù)裝甲減重是其設(shè)計(jì)的核心。本文通過(guò)對(duì)裝甲材料發(fā)展情況、防護(hù)部位、防護(hù)等級(jí)、防護(hù)結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分析研究，得出以下防護(hù)裝甲設(shè)計(jì)建議：

1）選擇防護(hù)裝甲材料時(shí)，在性能上相互取長(zhǎng)補(bǔ)短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)的輕質(zhì)高性能復(fù)合防彈材料是較優(yōu)的選擇；

2）根據(jù)飛機(jī)自身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)等，按對(duì)飛行員威脅程度分析出合理的防護(hù)部位區(qū)域，減少不必要的裝甲；

3）對(duì)執(zhí)行低空攻擊任務(wù)最嚴(yán)重和最常見(jiàn)的是12.7mm口徑高射機(jī)槍穿甲燃燒彈，為平衡重量和性能，現(xiàn)今大多數(shù)飛機(jī)均選擇Ⅲ類(lèi)2B級(jí)（12.7mm AP,V50≤610m/s）的防護(hù)等級(jí)；

4）一體式防護(hù)結(jié)構(gòu)與可拆卸式防護(hù)結(jié)構(gòu)相比較，一體式防護(hù)結(jié)構(gòu)作為結(jié)構(gòu)承力的一部分來(lái)設(shè)計(jì)可以降低重量；可拆卸式防護(hù)結(jié)構(gòu)，模塊化設(shè)計(jì)，易于維護(hù)修理，可以降低飛行訓(xùn)練成本。