軍用直升機(jī)裝甲防護(hù)現(xiàn)狀與展望

楊彬

（北京安達(dá)維爾科技股份有限公司，北京 101300）

1 直升機(jī)防彈要求

圖1 AH-64阿帕奇直升機(jī)被動防護(hù)設(shè)計(jì)

隨著地面防空武器射程和威力的不斷增強(qiáng)，現(xiàn)代軍用武裝和運(yùn)輸直升機(jī)在惡劣戰(zhàn)場環(huán)境下執(zhí)行任務(wù)時(shí)的生存能力面臨著嚴(yán)酷挑戰(zhàn)。盡管直升機(jī)的機(jī)動性能和武裝對抗能力在持續(xù)提高，但被動防護(hù)能力薄弱這一固有特點(diǎn)始終沒有得到根本性解決。在武裝直升機(jī)設(shè)計(jì)中，除了采用隱身、反干擾、多余度操控等手段來提高其生存能力外，防護(hù)裝甲的使用也已經(jīng)成為保障其低空安全飛行的最佳舉措。武裝直升機(jī)在低空飛行執(zhí)行特定任務(wù)時(shí)，所面臨的安全威脅主要來自地面輕武器彈頭和高炮高爆彈頭。前者包括7.62～14.5mm口徑常規(guī)穿甲彈的地空攻擊，后者涉及的高威力彈頭規(guī)格最高可達(dá)57mm口徑。實(shí)戰(zhàn)表明，武裝直升機(jī)最常見且最嚴(yán)重的威脅來自12.7mm高射機(jī)槍和23mm高炮高爆彈頭。對此，許多直升機(jī)在服役列裝之際便提出了明確的裝甲防護(hù)要求。以美國AH-64型阿帕奇直升機(jī)為例，其機(jī)身下表面任何部位被一發(fā)12.7mm穿甲彈擊中或機(jī)身95%表面任何部位被一發(fā)23mm高爆彈擊中后，仍可繼續(xù)飛行30分鐘以脫離戰(zhàn)場；旋翼槳葉任何一點(diǎn)被12.7mm穿甲彈擊中后，仍可繼續(xù)飛行直至完成任務(wù)。該直升機(jī)駕駛員座艙周圍裝有大量B4C/芳綸、Al2O3/玻璃鋼輕質(zhì)復(fù)合材料裝甲，駕駛艙安裝有可抵御23mm口徑穿甲彈的防彈玻璃，旋翼槳葉使用玻璃纖維增強(qiáng)蜂窩夾芯材料（Nomex）加固，部分關(guān)鍵傳動部件包以電渣熔鋼襯套或直接以70/49鋁合金、熔鋼材料制造，同時(shí)燃油系統(tǒng)采用了氮?dú)舛杌脑O(shè)計(jì)方式以防止中彈后發(fā)生爆炸。另一款著名的攻擊直升機(jī) 美國UH-60系列在其駕駛員座椅、駕駛艙外側(cè)、機(jī)身地板等關(guān)鍵部位也廣泛加裝了B4C陶瓷/Kevlar復(fù)合裝甲，以保證其在受到23mm高爆彈打擊后仍能具有一定的續(xù)航能力。

作為世界上第一款共軸雙旋翼設(shè)計(jì)和反坦克直升機(jī)的代表，俄羅斯卡-50系列直升機(jī)自20世紀(jì)90年代末服役起便創(chuàng)造了單座駕駛員進(jìn)行直升機(jī)全權(quán)限操控的歷史。該直升機(jī)座艙安裝有350kg鋼-鋁復(fù)合防護(hù)裝甲，可抵御100m距離內(nèi)23mm高爆彈頭的攻擊，連座艙防彈玻璃都能夠抵擋12.7mm口徑子彈。此外，Ka-50直升機(jī)半硬殼式金屬結(jié)構(gòu)機(jī)身中35%的結(jié)構(gòu)重量由碳纖維復(fù)合材料組成，重量高達(dá)2700kg；這一特點(diǎn)使得該機(jī)型機(jī)身90%的部分均可承受相當(dāng)于12.7mm口徑子彈的沖擊能量。

2 防護(hù)裝甲歷史發(fā)展

自直升機(jī)防彈裝甲誕生之日起，該產(chǎn)品已歷經(jīng)幾代發(fā)展，從最早的金屬材質(zhì)演變成今天的陶瓷復(fù)材綜合體，其構(gòu)成也由單一組分逐步變?yōu)槎嘣M合；尤其是納米復(fù)合材料的出現(xiàn)，讓防彈裝甲的單體結(jié)構(gòu)性能得到了根本性的提升。第一代防彈裝甲主要由鋁合金、鈦合金等硬質(zhì)金屬材料構(gòu)成，以產(chǎn)生塑性變形和硬化來對抗高速運(yùn)動子彈的動能，從而實(shí)現(xiàn)減緩子彈沖擊力的目的。常用于金屬裝甲制備的材料有2000、5000、7000系列鋁合金和12MnCrNi高強(qiáng)度合金鋼等。盡管目前金屬裝甲已經(jīng)較少應(yīng)用于直升機(jī)防護(hù)，它依然是某些特種車輛防護(hù)裝甲的候選材料之一。作為單一金屬防護(hù)材料的改型產(chǎn)品，金屬陶瓷復(fù)合材料的出現(xiàn)直接為現(xiàn)代直升機(jī)裝甲的大規(guī)模制備創(chuàng)造了直接前提。金屬陶瓷是由陶瓷硬質(zhì)相與金屬合金黏結(jié)相組成的復(fù)合材料。它兼具金屬和陶瓷的優(yōu)點(diǎn)，具有密度小、硬度高、耐腐蝕等優(yōu)異性能，且具備極佳的環(huán)境適用性。目前，用于防彈裝甲制備的主要是以氧化鋁陶瓷（Al2O3）、碳化硅（SiC）、碳化硼陶瓷（B4C）和二硼化鈦（TiB2）為基質(zhì)的復(fù)合材料。其中，氧化鋁陶瓷燒結(jié)性能好，工藝成熟，生產(chǎn)成本較低，因此得到了廣泛應(yīng)用；B4C陶瓷憑借其極低的密度、較高的抗彎強(qiáng)度和彈性模量，已逐漸成為直升機(jī)防彈裝甲的首選材料。由于B4C物質(zhì)自身屬于共價(jià)化合物，具有特殊的六角菱形晶系原子團(tuán)簇結(jié)構(gòu)，極難燒結(jié)，因而在工業(yè)生產(chǎn)中通常需要采用晶粒細(xì)化和添加助燒劑的方式才能獲得高性能碳化硼陶瓷。

進(jìn)入20世紀(jì)70年代后，隨著芳綸等高分子合成材料的問世，軟質(zhì)防彈材料研究取得了突破性成果，防彈裝甲進(jìn)入了第二個(gè)高速發(fā)展時(shí)期。雖然目前僅應(yīng)用軟質(zhì)防彈材料尚無法完全滿足直升機(jī)防彈要求，但以芳綸為代表的各類超高性能聚酰胺纖維配合陶瓷材料的使用，已成為直升機(jī)裝甲產(chǎn)品的主流設(shè)計(jì)形式。芳綸屬于芳香族聚酰胺纖維，具有強(qiáng)度高、模量高、密度低、耐磨性優(yōu)異的特點(diǎn)。根據(jù)其內(nèi)部化學(xué)鍵連接形式的不同，芳綸主要分為3種類型：對位芳綸（PPTA）、間位芳綸（MPIA）和其他雜環(huán)芳綸纖維。對位芳綸是Kevlar RI、Kevlar 29等凱夫拉防彈材料的主要成分，美國杜邦公司發(fā)明注冊的Nomex防護(hù)板則是最廣為人知的間位芳綸產(chǎn)品。由于間位芳綸的酰胺基與間位苯基相連，分子鏈剛性較弱，使其具有了優(yōu)異的耐高溫性能和阻燃性能，且強(qiáng)度和韌性分別達(dá)到了鋼材料的6倍和2倍。另一種在防彈裝甲制備中得到重要應(yīng)用的軟性材料為超高分子量聚乙烯（UHMWPE）。UHMWPE的相對分子量超過150萬，與碳纖維、芳綸纖維并稱為3大高科技特種纖維。利用UHMWPE高比強(qiáng)度特性制成的織物擁有極佳的耐磨性和抗腐蝕性，其拉伸強(qiáng)度、耐沖擊力和比能量吸收能力均比對位芳綸高出1倍，并且比彈擊載荷值高出芳綸2倍還多。由于具備上述優(yōu)異特性，超高分子量聚乙烯成為了直升機(jī)防彈裝甲產(chǎn)品中芳綸纖維的主要替代品之一。20世紀(jì)90年代，PBO纖維的橫空出世為防彈產(chǎn)品的研制帶來了新的選擇。被譽(yù)為21世紀(jì)超級材料的PBO纖維學(xué)名聚對苯撐苯并二噁唑，是一種液晶芳香族雜環(huán)聚合物。PBO纖維的密度略高于芳綸材料，但拉伸強(qiáng)度和拉伸彈性模量則明顯優(yōu)于后者。PBO纖維的高性能主要取決于其分子中苯環(huán)與芳香雜環(huán)形成的剛性棒狀連接和高度共軛的分子鏈結(jié)構(gòu)，這些內(nèi)部結(jié)構(gòu)不僅賦予了PBO材料較高的剛性、強(qiáng)度和模量，還使其具備了較好的吸波性能；因此，該材料還可用于飛機(jī)隱身性研究。目前，盡管包括我國在內(nèi)世界上多家商用公司都在探索PBO材料的商業(yè)化進(jìn)程，但大都處于中試階段，日本東洋紡公司仍然是唯一可以提供優(yōu)質(zhì)商業(yè)化PBO纖維的公司。

表1 幾種防彈纖維材料特性對比

圖2 石墨烯在ZrO2/Al2O3陶瓷中的改性作用

近年來，隨著材料學(xué)研究的不斷深入，一些新型改性結(jié)構(gòu)陶瓷的出現(xiàn)再次促進(jìn)了防彈裝甲產(chǎn)品的性能提升。改性陶瓷通常是在陶瓷基體中加入第二相材料，通過顆粒增韌、相變增韌等方式強(qiáng)化陶瓷內(nèi)部的化學(xué)鍵，使其在受到彈擊時(shí)可以消耗更多裂紋擴(kuò)展時(shí)的能量，以達(dá)到提升防彈性能的目的。可作為結(jié)構(gòu)材料增強(qiáng)體的元素有很多，石墨烯材料便是其中廣受關(guān)注的一種。借助石墨烯獨(dú)有的裂紋橋接特性，采用放電等離子燒結(jié)技術(shù)制成的ZrO2/Al2O3石墨烯納米增強(qiáng)陶瓷的斷裂韌性可以相比原型產(chǎn)品提高40%。當(dāng)陶瓷裂紋擴(kuò)展路線經(jīng)過石墨烯時(shí)，由于石墨烯與基質(zhì)界面存在較強(qiáng)的結(jié)合力，裂紋將在石墨烯-Al2O3結(jié)合鍵內(nèi)部沿縱向進(jìn)行多路徑三維化擴(kuò)散，從而降低應(yīng)力集中的程度，增強(qiáng)原陶瓷的韌性。有趣的是，石墨烯對陶瓷復(fù)合材料的增韌效果卻并非隨著其含量增大而提高；對于特定基質(zhì)的陶瓷而言，石墨烯在某一固定重量比情況下?lián)交鞎r(shí)使陶瓷的強(qiáng)度達(dá)到最高，大于或小于該重量比都無法實(shí)現(xiàn)該改性陶瓷的最佳防彈效果。其主要原因?yàn)椋弘S著石墨烯體積含量的逐漸增加，石墨烯片層的拔出、橋聯(lián)、裂紋偏轉(zhuǎn)以及石墨烯對基體晶粒的細(xì)化作用逐漸顯現(xiàn)出來，陶瓷基質(zhì)的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性也隨之提高；但石墨烯的引入同時(shí)降低了陶瓷基體材料的致密性，這使得復(fù)合材料的硬度隨著石墨烯含量繼續(xù)增加而逐漸降低，防彈性能隨之衰退。

圖3 石墨烯/Al2O3陶瓷斷面圖像（SEM比例：1μm）

為有效地保護(hù)石墨烯的二維結(jié)構(gòu)，降低燒結(jié)溫度，縮短保溫時(shí)間，同時(shí)獲得致密度高、綜合性能優(yōu)良的石墨烯/陶瓷基復(fù)合材料，熱壓燒結(jié)、放電等離子燒結(jié)（SPS）、高頻感應(yīng)加熱燒結(jié)（HFIHS）等先進(jìn)的壓力燒結(jié)技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。其中，SPS技術(shù)又因其制品致密度高、成品性能優(yōu)良的特點(diǎn)，已經(jīng)成為石墨烯改性陶瓷的首選制備方式。由于傳統(tǒng)陶瓷具有高硬度和絕緣性特點(diǎn)，機(jī)械加工難度大，成本高，且耗時(shí)長；而石墨烯的引入則會顯著改善陶瓷材料的加工性能，除了切割過程更加便利以外，采用大尺寸石墨烯制得的復(fù)相陶瓷還易于鉆孔安裝。

3 典型復(fù)合裝甲構(gòu)型

1998年頒布的美軍標(biāo)MIL-PRF-46103E《輕型復(fù)合材料裝甲性能標(biāo)準(zhǔn)》中明確要求，直升機(jī)裝甲需要在承受1000m射程范圍內(nèi)、著靶速度不低于488m/s的12.7mm口徑穿甲彈攻擊時(shí)確保飛機(jī)主體結(jié)構(gòu)不受到嚴(yán)重?fù)p傷。在地面打靶試驗(yàn)中，裝甲試驗(yàn)樣件背面的彈擊變形不應(yīng)超過44mm。此外，復(fù)合裝甲還需要滿足惡劣環(huán)境下動態(tài)振動、12g加速度沖擊、高低溫和油水浸漬等情況下的環(huán)境適應(yīng)性要求。

圖4 復(fù)合裝甲內(nèi)部結(jié)構(gòu)

典型直升機(jī)超輕型防彈裝甲的內(nèi)部主體結(jié)構(gòu)一般由三層組成：陶瓷板、碳纖維支撐板和高性能聚乙烯（PE）背板，三層之間用環(huán)氧樹脂膠或聚氨酯膠粘接，陶瓷表面覆蓋一層尼龍止裂布，并進(jìn)行三防噴漆處理。在受到子彈沖擊時(shí)，結(jié)構(gòu)陶瓷會承受絕大部分能量，并在背后碳纖維板的支撐作用下發(fā)生侵徹破裂；高韌性聚乙烯背板會吸收子彈和破碎陶瓷的剩余能量，并在一定變形量內(nèi)結(jié)束整個(gè)彈頭侵徹過程。盡管直升機(jī)的蒙皮會在彈頭沖擊作用下出現(xiàn)一定程度損傷（實(shí)際效果取決于裝甲支架設(shè)計(jì)和安裝間隙要求），但防彈裝甲卻實(shí)現(xiàn)了對飛機(jī)內(nèi)部成員和主體結(jié)構(gòu)的保護(hù)。出于結(jié)構(gòu)緊湊性考慮，有些直升機(jī)裝甲主體結(jié)構(gòu)采用雙層設(shè)計(jì)形式，即使用芳綸纖維材料代替碳纖維板和PE板，此時(shí)，芳綸纖維板需要兼具高硬度和強(qiáng)延展性特征。利用上述結(jié)構(gòu)特征所制備的直升機(jī)裝甲面密度可低于42kg/m2，且根據(jù)直升機(jī)的技戰(zhàn)術(shù)要求可實(shí)現(xiàn)一體式或模塊化設(shè)計(jì)。

復(fù)合裝甲的防彈效果取決于彈體侵徹過程中能量的吸收程度。當(dāng)彈體與陶瓷相接觸時(shí)，陶瓷材料表面會發(fā)生破碎，形成破碎錐，此時(shí)，可使子彈運(yùn)行速度降低20%～30%，并使彈頭發(fā)生破碎，產(chǎn)生壓縮波作用于陶瓷內(nèi)部；壓縮波沿彈體侵徹方向會產(chǎn)生自由彈性波，在彈性波的作用下陶瓷會進(jìn)一步破碎并消耗子彈動能；此后，彈體侵徹會在陶瓷的環(huán)向應(yīng)力限制下繼續(xù)受到阻抗，其動能也會被碳纖維背板所吸收。最后，當(dāng)彈體到達(dá)聚乙烯背板區(qū)域，由于聚乙烯復(fù)材層間樹脂基體的存在，能量被傳遞給各層纖維，纖維斷裂拔出致使聚合物織物分層，這一過程是沖擊動能最后的消耗模式，直至彈體停留在背板內(nèi)。

直升機(jī)復(fù)合裝甲的制備過程主要包含高強(qiáng)度陶瓷燒結(jié)、壓層黏接固化和層間應(yīng)力調(diào)整等關(guān)鍵技術(shù)，要獲得高性能、低面密度的裝甲，除了需要具備陶瓷材料力學(xué)、復(fù)材加工、膠接特種工藝等方面大量的知識和經(jīng)驗(yàn)，還需要了解直升機(jī)的戰(zhàn)術(shù)任務(wù)剖面，結(jié)合不同部位著彈概率和動能沖擊分析來進(jìn)行整機(jī)裝甲的布置。通常，飛機(jī)駕駛艙、燃油箱、發(fā)動機(jī)整流罩和地板等部位是安裝裝甲的首選位置，有些中彈后影響飛行安全的部位，如操縱機(jī)構(gòu)、液壓管路等位置也需要予以考慮。有時(shí)，直升機(jī)的不同部位會安裝不同類型的防彈裝甲，以便在飛機(jī)重量增加和局部定制化防護(hù)之間達(dá)到最佳平衡。

4 新型直升機(jī)裝甲展望

相比典型陶瓷復(fù)合裝甲，功能梯度裝甲、透明裝甲等幾種新型直升機(jī)裝甲自出現(xiàn)起便一直備受關(guān)注。隨著人們對它們制備機(jī)理探索的不斷深入，這些新型裝甲會在未來直升機(jī)被動防護(hù)系統(tǒng)中發(fā)揮更加重要的作用。

圖5 功能梯度材料結(jié)構(gòu)組分示意

4.1 功能梯度材料

功能梯度材料（FGM）概念最早由日本科學(xué)家在1987年提出，是一種組分、微結(jié)構(gòu)、濃度等特征參數(shù)呈有規(guī)律空間變化，從而導(dǎo)致其性能也呈空間變化以滿足特定要求的復(fù)合材料。同傳統(tǒng)意義上的非均勻材料不同，功能梯度材料的內(nèi)部組分呈一定規(guī)律變化，不存在明顯的性能分界層；而前者則由不同均勻材料的內(nèi)部子層在一定聯(lián)接工藝下加工而成。20世紀(jì)90年代，美國科學(xué)家首次利用FGM制作了防彈裝甲，自此為直升機(jī)裝甲防護(hù)設(shè)計(jì)提供了新的方向。在FGM裝甲中，陶瓷材料密度可以沿厚度方向連續(xù)變化，裝甲在著彈面和分界層表現(xiàn)出不同剛性和延展性。目前，國內(nèi)外各機(jī)構(gòu)的FGM裝甲研究主要集中在Ti/TiB2、B4C/Al、SiC/Al和Al2O3/Al等材料，其防護(hù)目標(biāo)主要針對7.62～14.5mm口徑穿甲彈。根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式不同，功能梯度材料在實(shí)際應(yīng)用中可以分為兩大類：一類是層狀FGM，由很薄的陶瓷層和金屬層通過冶金方法結(jié)合制成；另一類為連續(xù)FGM，由陶瓷粉末和金屬粉末按一定比例混合制成，迎彈面陶瓷含量最高，背彈面為塑性或抗拉性能較好的輕金屬。連續(xù)FGM裝甲的可設(shè)計(jì)性好，從迎彈面到背彈面強(qiáng)度、硬度和相對密度逐漸降低，韌性逐漸提高；同時(shí)，陶瓷相與金屬相之間存在豐富的不規(guī)則微觀界面，可使著彈時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力波迅速擴(kuò)散，裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)，減小沖擊作用下裝甲的受損幅度和范圍，并提高抗重復(fù)打擊性能。功能梯度材料的制備可以采用粉末疊層法、化學(xué)氣相沉積法、激光熔覆法、等離子噴涂法等特種工藝；對于FGM成品的檢驗(yàn)，可以使用X射線衍射、電子顯微鏡掃描等技術(shù)檢查其組分和內(nèi)部結(jié)構(gòu)排列形式。

4.2 透明陶瓷裝甲

透明陶瓷裝甲的主要成分為AlON，因其具備高硬度、高比強(qiáng)度、耐高溫和抗腐蝕等特點(diǎn)，且在近紫外到中紅外波段（0.2～6μm波長范圍）具有優(yōu)異的透光性（理論透光率可達(dá)85%），使其在直升機(jī)駕駛艙、觀察窗、單兵頭罩部件等產(chǎn)品領(lǐng)域擁有了廣泛的應(yīng)用前景。1976年，世界上第一塊AlON透明陶瓷在2025℃高溫氮?dú)猸h(huán)境下燒結(jié)制備成功；此后，美國Raython公司、陸軍材料和力學(xué)中心等機(jī)構(gòu)便在該材料應(yīng)用領(lǐng)域展開了大量研究。20世紀(jì)80年代，Raython公司將研制成功的AlON透明陶瓷作為紅外窗口材料應(yīng)用于國家大氣層軍事防御攔截項(xiàng)目，1999年，該公司便已具備了生產(chǎn)大尺寸AlON平板的能力。2002年，由于獲得Raython公司在透明陶瓷研制領(lǐng)域的技術(shù)轉(zhuǎn)讓，美國Surmet公司成為了該類產(chǎn)品細(xì)分市場上的領(lǐng)軍企業(yè)。隨著美國國防部和相關(guān)軍方不斷對透明裝甲材料和異形窗口材料提出更高的要求，Surmet公司陸續(xù)推出了各類改型迭代后的大尺寸AlON透明陶瓷產(chǎn)品，并被美國陸軍黑鷹和支奴干直升機(jī)選用。2019年，Surmet公司宣布已成功制備出8平方英尺（約0.74m2）的AlON視窗，一時(shí)成為業(yè)界矚目的焦點(diǎn)。

圖6 透明陶瓷透光率曲線

由于受自身強(qiáng)共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)和低自擴(kuò)散系數(shù)影響，AlON陶瓷的制備通常需要在2000℃以上長時(shí)間燒結(jié)環(huán)境下進(jìn)行，整個(gè)過程可分為制粉、成型、燒結(jié)和機(jī)械加工四個(gè)步驟。為了保證陶瓷的透光性指標(biāo)，制備過程的每步都要精密控制。透明陶瓷的原材料顆粒需要具有很高的純度、燒結(jié)活性和分散性，顆粒均勻不能凝聚，且隨時(shí)間推移無新相產(chǎn)生。傳統(tǒng)的粉料制備方法包括固相反應(yīng)法、化學(xué)沉淀法以及不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的蒸發(fā) 凝聚法等；此外，隨著人們對制備工藝研究的不斷深入，近年來，還涌現(xiàn)出了激光等離子體法、自蔓延法和噴霧干燥法等新方法。在燒結(jié)過程中，無壓燒結(jié)是制備AlON陶瓷最常用的方法，其優(yōu)勢在于可以制備大尺寸和復(fù)雜形狀產(chǎn)品，易于實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，但常常需要借助燒結(jié)助劑以促進(jìn)陶瓷致密化，且存在產(chǎn)品致密度較低的固有缺陷。近年來，隨著微波燒結(jié)、放電等離子燒結(jié)、熱壓及熱等靜壓燒結(jié)法等先進(jìn)燒結(jié)技術(shù)的出現(xiàn)，使人們可以在較低溫度和較短時(shí)間內(nèi)獲得高致密度AlON陶瓷；但采用這些新工藝需要付出更高成本代價(jià)。總的來講，現(xiàn)階段，AlON透明陶瓷裝甲仍然存在成品率低、難以實(shí)現(xiàn)大尺寸和規(guī)?；a(chǎn)等特點(diǎn)，導(dǎo)致其實(shí)際應(yīng)用場景較少。未來采用新型濕法工藝制備得到的AlON納米粉體可能有助于進(jìn)一步提高陶瓷的燒結(jié)活性，多元燒結(jié)助劑的引入也可以極大地改善陶瓷的致密性和透光率。