揭秘美軍武器裝備自修復(fù)技術(shù)

趙志宏++郭志潘++洪巖

在經(jīng)典科幻電影《終結(jié)者》系列中，T-1000型、T-X型等反派機械殺手，以其冷酷無情的刺殺技能、無與倫比的技術(shù)裝備、令人驚嘆的變形特技給影迷朋友們留下了極其深刻的印象，特別是前所未見的自修復(fù)能力至今仍使廣大軍迷們擊節(jié)贊賞。

電影往往映射著現(xiàn)實。隨著高新科技的發(fā)展，美國軍方所希望研制的智能武器是一種能夠模仿生命系統(tǒng)、感知環(huán)境變化、實時做出反應(yīng)，從而可與變化后的戰(zhàn)場環(huán)境高度適應(yīng)的復(fù)雜武器系統(tǒng)，而且在這些智能武器的實際試用中，軍方要求它們必須具備的一項重要功能就是自修復(fù)。雖然美軍武器裝備的自修復(fù)技術(shù)目前仍屬于深度探索與初步應(yīng)用階段，與T-1000、T-X這些“終結(jié)者”相比仍然是“小巫見大巫”，但這并不影響美軍對該項技術(shù)的熱衷與追求。

美軍成功研發(fā)可自修復(fù)的生化防護服，并使用機器人進行測試

生化防護服自修復(fù)

顧名思義，自修復(fù)即物體在受損時能夠進行自我修理、恢復(fù)原有屬性，從而保持自身功能完整的一項新型技術(shù)。2015年11月19日，美國陸軍網(wǎng)透露，美國陸軍納蒂克士兵研究開發(fā)與工程中心、馬薩諸塞大學(xué)洛厄爾分校與粹通系統(tǒng)公司三家機構(gòu)正在合作研發(fā)用于生化防護服的自修復(fù)技術(shù)。

眾所周知，穿上一套生化防護服的士兵能夠與外界及神經(jīng)毒氣、病毒、細菌等諸多有害物質(zhì)隔離;當士兵執(zhí)行任務(wù)時，其生化防護服若被灌木、荊棘、樹叢、石頭或針狀金屬刺透，則會產(chǎn)生針孔大小的破損，雖然肉眼不易覺察，但如果真是在沾染地區(qū)活動，遭到像VX等殺傷力極高的毒氣，士兵很可能還沒反應(yīng)過來就會喪命。對于人體而言，劃傷能使皮膚表面出現(xiàn)裂口、出血，但我們的身體有能力使其止血、結(jié)痂并愈合;為此，美國陸軍引入同樣的理念用于自修復(fù)面料或涂層，這種面料或涂層中含有微型膠囊修復(fù)流體，當面料或涂層因外力出現(xiàn)切口或破損時，就可以進行自我修復(fù)。根據(jù)防護服類型，自修復(fù)涂層可以是噴覆涂層或連續(xù)涂層。防護服自修復(fù)技術(shù)采用自修復(fù)微型膠囊進行間隙填補的創(chuàng)新方法，當微型膠囊被撕破時，它將被激活來修復(fù)切口、刺孔或破損處;當切口、刺孔或破損處被修復(fù)如初時，自修復(fù)涂層中含有的反應(yīng)劑會解除因破損所帶來的潛在危險或威脅。這種自修復(fù)技術(shù)有助于對致命的化學(xué)品、細菌和病毒建立物理屏障，從而為參戰(zhàn)士兵提供及時、不間斷的生化防護。

自修復(fù)技術(shù)將使軍服面料上的切口、裂口、破洞、刺孔能夠快速自修復(fù)。這意味著軍服的防護質(zhì)量不再受破洞、刺孔等的影響。該技術(shù)將被應(yīng)用到三軍輕便一體化服裝技術(shù)項目和三軍飛行員防護套裝項目中。其中，前者是基于一種攜帶活性碳球的無紡布料，特點是穿著舒適，透氣干爽，但是不易于內(nèi)嵌微型膠囊，為此必須在其表面噴涂微型膠囊和發(fā)泡劑。后者的防護機理是基于一種選擇性滲透膜，當微型膠囊被嵌入到選擇性滲透膜中或一個輔助性的反應(yīng)式選擇性滲透膜層內(nèi)時，輔助性的反應(yīng)式選擇性滲透膜將充當自我修復(fù)的輔助性阻隔材料。戰(zhàn)斗中，當薄膜破裂時，這些微型膠囊將自動打開，在大約60秒的時間內(nèi)修復(fù)破裂口，并借助于間隙填補技術(shù)進行裂口修補，從而有能力阻止化學(xué)制劑等有害物質(zhì)。選擇性滲透膜結(jié)構(gòu)表現(xiàn)得像一種制劑屏障，但是允許汗液等溫/熱性水、氣體排出，即濕氣能夠從人體被輸送到防護服之外。

軍用車輛防銹自修復(fù)

我們知道，美軍武器裝備大多是以金屬制品為主，而金屬銹蝕會給武器裝備造成極大的危害。它會破壞武器裝備的外表光澤與表面結(jié)構(gòu);若是機械配合件，銹蝕后會導(dǎo)致螺絲、螺母等配合件松動或者銹死;銹蝕中含有水、空氣、電解質(zhì)等，會加速武器氧化，進而造成損壞。據(jù)概略統(tǒng)計，美軍每年因金屬銹蝕而報廢的軍事設(shè)備與材料占總裝備的5%以上，而且金屬銹蝕還會造成武器裝備維修與保護費用的巨額增加。據(jù)美國國防部披露，美國海軍部門每年因銹蝕問題造成約70億美元的巨大損失，其中有5億美元用于修復(fù)銹蝕的海軍陸戰(zhàn)隊地面車輛。為此，美國海軍率先為軍用車輛研發(fā)自修復(fù)防銹涂料添加劑。

2014年3月20日，美國海軍技術(shù)網(wǎng)報道稱：美國海軍研究局和約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實驗室聯(lián)合開發(fā)了一種新的涂料添加劑，可以使海軍陸戰(zhàn)隊聯(lián)合輕型戰(zhàn)術(shù)車輛等軍用車輛的涂料具有類似于人體肌膚的自愈合功能，從而防止車輛銹蝕。

這種粉末狀添加劑被稱為“聚成纖維原細胞”，可以添加到現(xiàn)有的商用底漆中，它由填滿油狀液體的聚合物微球組成，一旦劃傷，破損包膜處的樹脂便會在外露的鋼材外形成蠟狀防水涂層，防止車輛表面銹蝕，這種技術(shù)特別適合在惡劣環(huán)境下使用的軍用車輛。該項目開始于2008年，經(jīng)過海軍研究局三任項目經(jīng)理的不懈努力，最終在該領(lǐng)域獲得突破，通過了實驗測試，并將技術(shù)轉(zhuǎn)移至海軍陸戰(zhàn)隊地面系統(tǒng)項目。此項目的研發(fā)是基于美國海軍陸戰(zhàn)隊在《海軍陸戰(zhàn)隊2025年遠景與戰(zhàn)略》中的承諾，即實現(xiàn)“裝備后勤現(xiàn)代化，從而擴大遠程作戰(zhàn)能力，維持海上作戰(zhàn)能力”。

軍用車輛腐蝕的主要原因是在艦艇上運輸或儲存過程中，受到了海洋鹽霧環(huán)境的影響。為此，美軍技術(shù)人員在實驗室測試中將表面涂有涂層的鋼材置于充滿鹽霧的房間內(nèi)，結(jié)果表明：涂有聚成纖維原細胞涂層的鋼材能夠保持6周時間內(nèi)不生銹。與其他的自我修復(fù)涂料相比，聚成纖維原細胞底漆能夠防止軍用車輛在各種環(huán)境下被腐蝕。該項目的首席科學(xué)家本克斯科介紹說：“我們不關(guān)心它對車輛是否美觀，我們只關(guān)心如何防止腐蝕?！泵绹＼娧芯烤诌h征機動作戰(zhàn)與反恐作戰(zhàn)部后勤研究項目負責人弗蘭克·弗曼也表示：“軍用車輛防銹自修復(fù)技術(shù)能夠降低維修費用，而更重要的是，它能夠延長海軍陸戰(zhàn)隊車輛在戰(zhàn)場上的運用時間?！?

軍用電子線路自修復(fù)

物競天擇，自修復(fù)屬于生物界在長期進化過程中所獲取的一種自我防御能力。與此相類似，在一定人為干預(yù)的條件下，以金屬芯為主的電子線路也會出現(xiàn)一種自修復(fù)的能力，具有“生命”特征與“再生”機能。美軍試圖揭開電子線路自修復(fù)的神秘面紗，因為這種能力一旦被軍方所掌握，便可能派生出許多嶄新功能，從而應(yīng)用在軍用電子線路的研制、生產(chǎn)、維修等諸多方面。

對于武器裝備中電子線路的自修復(fù)能力，美軍嘗試通過人工干預(yù)來尋找最有效的金屬材料。2013年初，美國科研人員就發(fā)現(xiàn)了一種使用液態(tài)金屬和特殊聚合物來制造野戰(zhàn)被覆線的方法，他們將銦和鎵的液態(tài)合金以微型膠囊的形式放置于同樣具有可延展功能的聚合物之中，當金屬芯因外界壓力破損時，該力同樣會碾破若干個載有修復(fù)材料的微型膠囊，釋放出的液態(tài)金屬能及時填充在破損導(dǎo)致的間隙之中，從而使得電流或電信號重新恢復(fù)聯(lián)通。

實驗結(jié)果表明，這種盛裝液態(tài)金屬的微型膠囊能“治愈”大部分測試電子線路，用時只需1微秒，幾乎是瞬間即可讓電壓恢復(fù)到正常值。該自修復(fù)技術(shù)的重要意義有三：一是可以研制出壽命更長的可充電電池。眼下的可充電電池在多次重復(fù)使用后會因設(shè)備內(nèi)部的損害中斷電流而引發(fā)故障，一旦這個問題被解決，軍用充電電池的壽命將大幅度延長，維護成本也將明顯減少。二是可以迅速修復(fù)裝甲目標受損部位。美國五角大樓曾試驗一項可自我修復(fù)的新材料，這種材料由鎂、鋁等金屬與其他特殊元素混合構(gòu)制，其內(nèi)部呈泡沫結(jié)構(gòu)，熔點相對較低。若用在坦克、步兵戰(zhàn)斗車的外層表面，一旦遭到火箭彈等重型武器攻擊，這種材料中的泡沫便會破裂，裂縫會被氣流攜帶的金屬液體迅速填補愈合，凝固后就能使“創(chuàng)口”愈合，恢復(fù)如初，仿佛《終結(jié)者》中的T-1000再現(xiàn)。三是這種液態(tài)金屬電線可以供便攜式無線設(shè)備使用。因為包裹在特殊材料中的液態(tài)電線，不僅可自我修復(fù)，還具備可根據(jù)其接收的無線電波來進行自我調(diào)整的能力。如果將這樣的液態(tài)電線與小型錄音設(shè)備相連，嵌置于重要戰(zhàn)術(shù)工事之內(nèi)，電線會隨著壓力變化而伸收，這樣工事結(jié)構(gòu)的安全性便可以被實時監(jiān)測。

防御工事自修復(fù)

防御作戰(zhàn)中，為減少傷亡、阻敵進攻而在有利地形上構(gòu)筑的筑城工事，我們稱為“防御工事”，包括射擊工事、交通工事和掩蔽工事。其中，射擊工事有掩體、塹壕、火器座等;交通工事有暗壕、塹壕、交通壕等;掩蔽工事有掩壕、掩蔽部、貓耳洞等。這些工事以鋼筋混凝土材料建造時最為堅固。然而，戰(zhàn)斗中，即使最堅固的防御工事也會遭到進攻方的猛烈轟炸，出現(xiàn)破損、裂紋等現(xiàn)象在所難免。為此，以美軍為代表的西方軍隊開始研制自修復(fù)混凝土技術(shù)，相繼出現(xiàn)了水泥基導(dǎo)電復(fù)合材料、水泥基磁性復(fù)合材料、損傷自診斷水泥基復(fù)合材料、自動調(diào)節(jié)環(huán)境溫度/濕度的水泥基復(fù)合材料等。

自修復(fù)混凝土是一種具有感應(yīng)與修復(fù)性能的混凝土，是智能混凝土的初級階段，卻是混凝土材料發(fā)展的高級階段。由這種材料構(gòu)建的混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂紋或損傷后，可以進行及時而有效的修復(fù)與愈合。研究混凝土裂紋的自修復(fù)最早可以追溯到1925年，科技人員發(fā)現(xiàn)混凝土試件在抗拉強度測試開裂后，將其放在戶外8年，裂紋竟然愈合了，而且強度比先前提高了2倍。后來挪威一名學(xué)者的研究也表明，混凝土在凍融循環(huán)損傷后，將其放置在水中203個月后，混凝土的抗壓強度有了5%的恢復(fù)。美國科研人員受生物界的啟示，模仿動物的骨組織結(jié)構(gòu)和受創(chuàng)傷后的再生、恢復(fù)機理，采用粘接材料和基材相復(fù)合的方法，使材料損傷破壞后具有自修復(fù)和再生功能。

目前，美國軍方對鋼筋混凝土裂縫實施修復(fù)進行了深入研究，并取得了一定實驗性成果：他們在100×100×200毫米混凝土試件上預(yù)制裂紋，可以是表面裂紋也可以是穿透裂紋，然后將帶有預(yù)制裂紋的試件浸泡在氯化鎂溶液中，施加直流電源;在通電的前兩個星期內(nèi)，裂紋閉合速度最快，4～8個星期后，裂縫幾乎完全閉合。早在20世紀末，美軍科研人員就將縮醛高分子溶液作為膠粘劑注入到玻璃空心纖維或者空心玻璃短管中并埋入到混凝土中，當混凝土結(jié)構(gòu)在使用過程中出現(xiàn)裂紋時，短管內(nèi)的修復(fù)劑流出滲入裂縫，通過化學(xué)作用而使修復(fù)膠粘劑固結(jié)，從而抑制開裂，修復(fù)裂縫。

飛行控制自修復(fù)

飛行控制系統(tǒng)是航空器在飛行過程中，利用自動控制系統(tǒng)，能夠?qū)︼w行器的構(gòu)形、飛行姿態(tài)和運動參數(shù)實施控制的系統(tǒng)?，F(xiàn)代航空技術(shù)發(fā)展異常迅速，航空器的設(shè)計變得既精密又復(fù)雜，直接關(guān)乎操作可靠性、運行安全性的飛行控制系統(tǒng)也成為航空器當仁不讓的核心技術(shù)。甚至可以說，操作面損傷、卡死或浮松等硬故障可能成為航空器飛行控制系統(tǒng)的致命問題。為此，飛行控制自修復(fù)作為發(fā)展智能飛行控制技術(shù)的重要組成部分，成為能夠進行自主維修診斷、故障重構(gòu)和主動實時告警的自動控制系統(tǒng)。

20世紀80年代，美國空軍對在越南戰(zhàn)爭中的戰(zhàn)斗機進行了統(tǒng)計分析后得出結(jié)論：若當時具有自修復(fù)技術(shù)，則會對提高戰(zhàn)斗機的安全性、可靠性和生存能力具有重要意義。隨后飛行控制自修復(fù)技術(shù)引起了世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注，美國空軍遂將“自修復(fù)飛行控制系統(tǒng)設(shè)計”作為研究重點之一，爾后美國國家航空航天局首次提出“自修復(fù)控制”概念。1984年之后，美國空軍飛行動力學(xué)實驗室開始實施自修復(fù)飛行控制系統(tǒng)（RESTORE）計劃，洛克希德·馬丁公司將“自設(shè)計飛行控制器”用于RESTORE計劃，并在F-16飛機上試飛成功。目前，以美國為代表的航空技術(shù)先進國家已經(jīng)對飛行控制自修復(fù)關(guān)鍵技術(shù)開展了大量研究和試飛驗證，特別是基于在線神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和動態(tài)逆的自修復(fù)控制系統(tǒng)也由波音公司在RESTORE項目中進行研制，并以X-36飛機為載機成功試飛。2002年，美軍又明確提出研制具有故障自愈調(diào)控功能的無故障、少故障或免維修、少維修的新一代軍用航空器自修復(fù)飛行控制系統(tǒng)，標志著飛行控制自修復(fù)技術(shù)已發(fā)展到更高的水平。由此可見，飛行控制自修復(fù)技術(shù)必將成為信息化時代戰(zhàn)斗機與無人機系統(tǒng)的核心技術(shù)之一，并將備受美國、俄羅斯、英國等軍事強國的高度重視。

責任編輯：葛 妍

摘編自《環(huán)球軍事》