19世纪初期,随着蒸汽机技术和炼钢技术的不断发展,西方列强纷纷用熟铁制造排水量巨大的军舰,到了19世纪末威力巨大的线膛炮和穿甲技术催生了真正意义上的装甲钢,1915年装甲钢在世界第一辆坦克上面成功得到了应用,二战爆发后坦克技术飞速向前发展,同时也带动了坦克防护技术的进步,各国除了一味的增加装甲的厚度外,开始格外的注重起了合金化水平和冶炼质量。到了60年代随着材料技术的飞跃,复合装甲开始兴起,这也就意味着装甲防护正式告别了单靠重量的增加来应对与日俱增的火力的时代,下面我就为以图片的形式来为讲解一下现代坦克的防护装甲。
均质装甲
▲二战后期苏军用德国的黑豹坦克打靶测试,黑豹坦克的正面装甲发生了大面积开裂和坍塌的情况,虽然这其中有152毫米口径碾压的情况,但是此时的德国装甲因为资源问题普遍存在强度够,韧性不足的毛病
均质装甲中最简单的就是钢装甲了,钢装甲的抗弹性能与强度、韧性密切相关,早期各国都会通过提高碳含量来提升钢装甲的强度,但是随着碳含量的上升,钢装甲的韧性会大幅下降,不过向钢装甲中加入钼这样的合金能够有效的提高其韧性。但是这种方法容易受到资源的限制,比如二战末期的德国就因为资源的短缺在冶炼工艺上打起了主意,其产物就是表面渗碳技术,通过数星期的渗碳工艺能够制造出表层强度大,底层强度小但是韧性高的渗碳装甲,这样一来较硬的表层能够抵御破片和弹丸的直接冲击,底层能够防二次破片(二次破片包括弹丸产生的破片和车体产生的破片),而且韧性极高的底层还能防止背部装甲的崩落和装甲的大面积开裂,但是渗碳装甲制造时间极长,不利于在战时大批量制造坦克。
▲铸造炮塔和焊接炮塔,整体铸造的炮塔利于大批量生产,轧制装甲焊接炮塔的防弹能力要强一些,但是轧制装甲焊接炮塔的焊缝处防护能力要差一些
此外制造工艺上钢装甲又能分为铸造钢装甲和轧制钢装甲,轧制钢装甲需要来回的碾压装甲使其变形,这样一来就能改变装甲内部疏松的结构,能有效的提高装甲的密度,铸造装甲虽然能够直接浇筑成任意形状和厚度的结构,而且工艺简单利于大批量制造,但是在这个过程中装甲内部结构较为疏松,密度小,而且容易产生气泡,沙眼等结构,使得装甲韧性不足而变脆,所以铸造钢装甲的抗弹性能要低于轧制钢装甲。而现代钢装甲一般碳的含量没有二战钢装甲那么多,合金元素种类虽然多但是含量并不是很高,此外现代钢装甲能够通过炉外精炼来减少磷、硫等杂质和氢、氧、氮等气体的含量,从而大幅降低了脆性,各国都对钢装甲中杂质的含量有着极高的要求,所以现代装甲钢的发展状况就是薄、硬、纯。
▲苏俄BMP-3步战车采用的铝合金装甲,可以看到表面银光闪闪的
除了均质钢装甲,在一些重量轻的装甲车辆内经常使用铝合金装甲,这些铝合金装甲车辆只能抵御一些小口径弹药和破片。不过铝合金装甲加工工艺好,资源丰富,利于大批量制造,但是铝合金耐腐蚀性和耐火性较差,最重要的是硬度和强度低于钢装甲,根本防御不了大口径穿甲弹等主流反坦克弹药,所以一般不用在主战坦克上面,其最大的优势就是轻,不过通过双硬度复合装甲能在有效的控制重量的同时,提高装甲的防护能力(比如钢-铝复合装甲,具体下文讲)。
▲目前只有美国在使用贫铀装甲,值得一提的是贫铀密度大,在和钢装甲达到同一刚度的情况下重量会使得坦克吃不消,所以根本不能代替钢装甲成为结构材料
最后就是不常见的钛合金装甲和贫铀装甲,钛合金装甲重量轻,在同等质量下强度远远高于钢装甲,但是高昂的造价限制了其在坦克上的使用,顶多就是在特殊局部区域使用(不过随着制造技术的不断进步,未来钛合金装甲说不定也能在坦克上面大规模应用)。贫铀装甲塑性高,密度大,抗穿甲弹和破甲弹的综合能力极高,在很薄的情况下依旧能够保持足够的强度,再加上其具有自燃的特性(就是在弹丸高速撞击下会自燃),不易暴露在外部,非常适合作为爆发装甲的背板等,但是贫铀这种核废料有很低的放射性,在谈核色变的今天使用者势必会被舆论谴责,这也限制着贫铀装甲的普及。
复合装甲
▲苏联432工程上的金属-金属复合装甲,这种铸铝合金夹层复合装甲能有效的降低车体重量,但是其防破甲弹能力就差一定,后来苏联针对这一点将该装甲换成了钛合金+玻璃钢+钛合金,但是高昂的造价让其望而却步
到了六十年代末和七十年代初坦克装甲防护迎来了一次飞跃,材料技术的不断进步催生出了复合装甲,这种装甲改变了均质装甲采用单一材料的现状,将不同特性的材料结合到一起从而发挥各材料的特性,能够大幅增强坦克的防护能力,复合装甲可以分为金属-金属复合装甲、金属-非金属复合装甲和间隙装甲,我们先来看第一种,也就是上文提到的双硬度复合装甲,上文提到渗碳装甲的表面强度高,底面韧性强,如果将高强度金属和高韧性金属结合起来不就能达到这个效果了?于是就有了一块强度和硬度都极高的面板和一块韧性极强的背板组成的复合装甲(不过这种结构一般不怎么用了),金属-金属复合装甲中最典型的就是铝钢复合装甲,减轻整车重量的同时又能保持防护能力,比如M2A2步战车就在铝制内层外还有一层高硬度的钢装甲,只不过这两层金属之间的结合工艺要求较高。
▲上图就是约束性复合装甲,基体是中间的陶瓷块,增强体就是四周的约束板,这里值得一提的是增强体可以放在基体外面,同时也可以和基体混合在一起,比如纤维陶瓷复合装甲就是在陶瓷体中(上图黄色部分)加入凯夫拉一类的纤维材料来增强韧性,此外还有一种非约束性的复合装甲,这种复合装甲只有面板和背板
目前在主战坦克上面应用最为广泛的还要数金属-非金属复合装甲,非金属材料有很多,主要是玻璃钢、水泥、橡胶、碳纤维、塑料等(当然我这里为了方便理解说的很直白,但不意味这些材料就是我们日常生活所见的那些)。不过这其中最值得一提的还要数陶瓷材料,因为这是未来坦克复合装甲的重要发展方向。陶瓷复合装甲一般以陶瓷材料作为基体,以金属、纤维、有机材料(比如石英碳化硅、橡胶等)作为增强体,首先陶瓷拥有高于钢的硬度和抗压强度,还有极强的耐腐蚀性和耐高温性,对金属射流和高速穿甲弹都有着极其强悍的防护能力,而且为了减少破碎面积,陶瓷块形状多种多样,主要有方块形、圆柱形、球形,六角形等。
▲我们来直观的看一下T-90M炮塔正面的复合装甲,红、黄、绿色的装甲部分就是陶瓷复合装甲块(类似于上图的约束性复合装甲,当然也可以是非约束性的)至于中间蓝色的为响应装甲,也就是说现代复合装甲的夹层不一定是复合材料,而是多结构混合使用的,可能是下图的响应装甲,也有可能是爆炸反应装甲(下文讲)
▲T-72B的响应装甲,中间的填充为隔火橡胶,装甲板之间的填充材料会在冲击力下发生整体形变,从而改变装甲板的位置,影响穿甲弹弹丸或金属射流的方向,利用材料的形变和损伤吸收能量
最后就是间隙装甲了,因为空气也能算作是非金属材料,间隙装甲也能和复合装甲配合使用,当长杆穿甲弹穿透倾斜布置的间隙装甲第一层后会损失一部分的动能,而且弹头会沿着最短路径穿出,这也就意味着整个弹体要向下方偏转,即使是穿透了第一层间隙装甲,也会在第二层间隙装甲层发生同类的情况,最终在综合作用下失去动能,发射跳蛋、横弹、变形甚至是碎裂等情况,对金属射流也是如此,我们具体结合下图来看:
▲间隙装甲和弹体的倾斜效应示意图,当弹体偏转后会出现失稳的情况,并不断地随着一层一层的间隙装甲改变飞行姿态,最终失去穿甲能力,再来看下图,钨芯穿甲弹在穿甲的过程中弹头会变得越来越钝最终形成一个类似于“蘑菇头”的结构,这会消耗穿甲弹大量的能量,此外间隙装甲还能有效地防御碎甲弹的打击,碎甲弹爆炸产生的应力波会在装甲间隙来回反射,直至被消耗殆尽
爆炸反应装甲
▲爆炸反应装甲的原理图,倾斜布置的面板和背板在炸药的作用下有一个上下位移,整个过程就会持续切割金属射流,干扰射流的状态,破坏其连续性。同时从上图也能看出爆反装甲对倾角有着极高的要求,垂直布置时效果最差
爆炸反应装甲起源于上世纪80年代初,基本结构就是在一层惰性炸药两侧增加两块钢板,值得一提的是由于射流的速度极高,一部分射流在炸药爆炸前就已经穿过了背板,能够直接攻击主装甲。但是这部分尾流此时已经处在破碎和分散状态,威胁并不是很大。爆炸反应装甲起初是用于应对破甲弹的,由于长杆穿甲弹质量和形状等原因,这种薄面板和背板结构的爆反装甲对动能穿甲弹的防御能力很差。因此把面板或者是背板的厚度增加,因为背板和金属射流或长杆穿甲弹相交的时间最长,所以一般是增加背板的厚度,然后调整好炸药的敏感度(为了不被轻易引爆),就能有效的提高防穿甲弹的能力。
▲苏俄接触1反应装甲盒子,为了提高防护能力,爆炸反应装甲会采用多单元组合的方式,而且每个单元的倾斜角度不一样,因为弹丸有可能从任何方位射入,其实就是一个增加防御概率的问题
首先厚背板或者是面板能够硬抗穿甲弹使其失去一部分的能量,其次在炸药的作用下背板和面板有一个打击长杆穿甲弹的过程,最后惰性炸药将厚度较大的面板和背板抛出,使得长杆穿甲弹失去飞行姿态,甚至是出现弯曲和断裂的情况,从而失去穿甲能力。这样一来爆炸反应装甲就同时具备了防破甲弹和穿甲弹的能力。
屏蔽装甲
▲二战德国四号坦克的侧裙板
最后在来说一说屏蔽装甲,该装甲最早可以追溯到二战期间坦克两侧添加的附加装甲结构,通过刚性或者是弹性方式支撑固定在主装甲上,这类的附加装甲对穿甲弹起不到有效的防护作用,但是能辅助主装甲提高防护能力,此外还能抵御枪弹和破片对坦克的打击,改变破甲弹的炸高从而影响其威力,在这类附加装甲的基础上还发展出了一种应用非常广泛的格栅装甲。
▲击中格栅装甲的RPG火箭弹,从痕迹来看这枚火箭弹根本没有爆炸,因为RPG头部的压电晶体会产生电流会从两侧弹壁形成闭合回路,从而引爆尾部的引信,但是在格栅的挤压下弹壁会发生变形,这时候闭合回路就有可能被破坏,引信也就失去了作用
格栅装甲能够有效的抵御破甲弹的打击,因为有药形罩的存在,破甲弹内部有很大的空腔,受到格栅的挤压后特别容易变形从而破坏药形罩,使其不能产生有效的金属射流,有时候还能破坏引信结构,这样一来破甲弹就变成了一块废铁挂在了格栅上。
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坦克防护是个系统而又庞大的工程,所以文章中难免有一些问题和不足,还请各位指出!
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