装甲兵是现代战争中主要的地面突击力量,坦克装甲车辆作为装甲兵的主战装备,在不断提升火力、机动性和信息化能力的同时,因其在现代战场上需要随时面对陆地和空中各种智能化反装甲武器立体攻击的威胁,使得坦克装甲车辆的防护能力成为保证其战斗力的重要要素。近年来,诸如反坦克导弹、具有串联式装药弹头的火箭助推榴弹、高速动能穿甲弹、具有爆炸成型弹头的顶部攻击弹药、智能反装甲地雷、自杀式无人机和巡飞弹等各类高效能反装甲弹药,已大量装备各国部队并在世界各地的一些局部冲突中取得了较多战果。坦克装甲车辆原有的防护优势被极大地削弱,如何有效提升坦克装甲车辆的战场生存能力成为了世界各国研究的焦点问题。

随着反装甲技术的不断发展,通过简单的增加装甲厚度已不能对坦克装甲车辆及其乘员进行有效保护,且更重的装甲会导致平台产生机动性、通过性等方面的问题,这也说明目前被动防护系统的发展已达到了技术瓶颈。通过改变装甲结构也可提高坦克装甲车辆防护性能,典型的装甲结构有间隔装甲、反应装甲、复合装甲等,但近些年来研究和发展的反爆炸装甲串联战斗部技术也已使间隔装甲、反应装甲等防护技术黯然失色。此外,简单地增加块状装甲也不适用于较轻的战斗车辆。

在坦克装甲车辆战场防护方面,世界各国当前的研究和装备热点是融合被动、主动传感器和采用多种对抗措施的层次化主动防护系统。为应对以火箭助推榴弹(Rocket Propelled Grenade,RPG)和反坦克导弹(Anti-Tank Guided Missile,ATGM)为代表的威胁,配备了主动和被动传感器并辅以“软杀伤”和“硬杀伤”拦截手段的主动防护系统,已成为坦克装甲车辆应对现代战场生存能力挑战最受欢迎的技术之一。

1战场威胁分析

随着智能弹药等新兴军事技术的发展,现代战场上地面作战坦克装甲车辆不仅易受传统各类制导反坦克导弹、非制导火箭助推榴弹、炮射聚能破甲弹、高速动能穿甲弹等武器弹药的侧向打击,而且会受到末敏弹、巡飞弹、察打一体无人机等的空中顶部攻击,还会受到新型智能反装甲地雷对其底部、侧向和顶部的全方位打击。也就是说,在现代战场环境下,遂行作战任务的坦克装甲车辆将面临空中、地面、地下的全方位威胁,如图1所示。坦克装甲车辆面临的威胁类型及相关打击和制导方式如表1所示。

2装备现状

传统坦克装甲车辆一般依赖金属装甲或复合装甲提高其防护能力,其更厚、更重的装甲限制了车辆的机动性,增加了燃料损耗,并对动力系统和悬挂系统造成了巨大压力。随着聚能破甲弹和动能穿甲弹等能够击穿非常厚常规装甲的反装甲武器的出现,世界各国军队开始重新考虑装甲车辆的防护手段,这促进了各类主动防护系统的发展。总的来说,用于坦克装甲车辆的主动防护系统,按照作用距离由近及远的顺序可分为反应装甲、“硬杀伤”系统和“软杀伤”系统3个层次，如图2所示。

2.1反应装甲

2.1.1实现原理

爆炸式反应装甲由夹在2块装甲板之间的高爆炸药构成。当定向爆炸弹头击中爆炸式反应装甲时,弹头的能量会使夹在中间的炸药爆炸,并在弹头到达车辆的主装甲之前将其能量中和。同样,爆炸式反应装甲的爆炸威力也会使动能穿甲弹发生偏转,防止其穿透主装甲,其中重型爆炸式反应装甲甚至可以打破动能穿甲弹。现代反坦克导弹通常采用串联式装药弹头,其包括1个位于弹头顶端的较小子弹和1个较大主弹药,子弹的作用是引爆爆炸式反应装甲并暴露出下面的主装甲,以使主弹药可击穿主装甲。爆炸式反应装甲会产生弹片,伴随步兵需要与车辆保持一定的安全距离。

为取代高爆炸药,非爆炸式反应装甲采用了某种惰性材料(如橡胶),以作为装甲板之间的衬垫。非爆炸式反应装甲的基本工作原理与爆炸式反应装甲相同,均为提前耗散弹头的能量,防止弹头击穿车辆的主装甲,但非爆炸式反应装甲通常不如爆炸式反应装甲有效。此外,非爆炸式反应装甲重量更轻,具有一定防御串联弹头的能力。

电磁反应式装甲是一个相对较新的概念,它由2块金属板组成,中间有1个不导电的缓冲层,2块金属板通过加高压积累电荷而形成1个电容器。当爆炸式弹头或动能穿甲弹击中外层金属板后,继续穿透非导电缓冲层,使2块带电板接触而发生短路,高压电容器释放其积累的能量,以防止或削弱来袭弹头的爆炸或动能。

2.1.2国外装备的典型反应装甲

美国通用动力陆地系统公司(General Dynamics Land System,GDLS)为美军主战坦克设计了2种不同的爆炸式反应装甲系统,二者均被命名为“ARAT”,其中:砖块状的“M19ARAT1”于2006年推出,水平安装,以防御侧向来袭的反坦克武器;“M32ARAT2”于2008年推出,其弯曲的瓦片形状更适合于偏转高速动能弹药。与“M19ARAT1”不同,“M32ARAT2”可以以向下或向上的角度安装,以优化对简易爆炸装置或高空发射武器的防御;“M19ARAT1”可以单独安装,“M32ARAT2”则可以直接放在“M19ARAT1”上面,形成1个双层的爆炸式反应装甲系统。另外,“ARAT”系统的1个优点是其在被小型武器(如机枪弹丸)击中时,不会被引爆。GDLS与以色列拉斐尔公司合作,于2014年推出了为M2布雷德利战车系统和“STRYKER”轮式战车系列研制的爆炸式反应装甲系统,分别命名为“BFVS”和“SRATII”,与“ARAT”系列反应装甲相比,进一步减轻了重量。“BFVS”反应装甲瓦片可防御绝大部分肩扛式反坦克武器,而“SRATII”则针对城市环境进行了优化。

俄罗斯在2006年推出的第3代“RELIKT”爆炸式反应装甲,被部署在T-72B型、T-80B型和T-90AM型主战坦克以及BMPT系列火力支援车上。该反应装甲由夹在2块金属板之间的2kg高爆炸药组成,爆炸式反应装甲和有机装甲之间的惰性缓冲器为坦克车体提供额外的保护,其中:矩形的反应装甲保护车辆的侧翼和背部,而梯形的反应装甲套件则排列在炮塔周围。根据报道,“RELIKT”爆炸式反应装甲对串联破甲弹药的防护效果是苏联时期第2代“Kontakt-5”爆炸式反应装甲的2倍。随着“ARMATA”装甲车系列的出现,俄罗斯推出了第4代爆炸式反应装甲,命名为“MALACHIT”。据西方专家推测,该反应装甲可能是由层压陶瓷复合基体构成。

2.2“硬杀伤”系统

2.2.1以色列“TROPHY”与“IRONFIST”主动防护系统

近20年来,以色列一直是坦克装甲车辆防护系统和主动防护系统研制和装备的先驱者,在其占领南黎巴嫩期间(1982—2000年),就已对“紫雷”主动防护系统(PURPLE THUNDER)进行了作战测试。经过30多年的发展,2家以色列公司的主动防护系统系列产品受到了国际认可:由拉斐尔先进防御系统公司(Rafael Advanced Defense SystemsLtd.,RAFAEL)开发的“TROPHY”系统和由以色列军事工业公司(Israel Military Industries,IMI)开发的“IRONFIST”系统。

在目标感知上,上述2种主动防护系统均依靠雷达进行威胁探测、分类识别和目标捕获跟踪,其中:“TROPHY”主动防护系统使用了IAIElta系统公司的“WindGuard”雷达;“IRONFIST”主动防护系统采用了RADA公司开发了“CHR”紧凑型半球雷达。此外,这2种系统的最新版本均增强了敌方火力探测,近距离区域和空中监视等多任务能力。“WindGuard”雷达是一种四面分布式相控阵脉冲多普勒雷达,可探测和自动跟踪各类反坦克火箭、反坦克导弹和坦克炮弹。一旦探测到潜在威胁,雷达就会向乘员发出预警,指出威胁的准确三维方向,计算威胁到达时间,并自动启动“TROPHY”的“硬杀伤”保护系统。“WindGuard”雷达可和Elta系统公司的“OTHELLO”光电传感器进行数据融合(如图3所示),以有效探测、分类、识别和定位各类来袭威胁。RADA公司近期推出了第2代“CHR”多任务雷达,以提高对陆上和空中威胁的态势感知能力。该系统采用的边搜索边跟踪模式和快速重访模式可同时处理数百个目标,并可同车辆上的红外、可见光传感器协同工作,利用多普勒和其他目标特征进行目标识别、分类和跟踪,并为车上人员提供完整的动态空中态势图。该雷达系统除了能探测各类来袭弹药外,还能有效探测和识别无人机和巡飞弹等目标。

在拦截措施上,上述2种系统均采用了可旋转发射器方式:“TROPHY”主动防护系统采用了基于爆炸成形弹药的反制措施,在距受保护车辆相对较远的位置与来袭威胁相遇,通过直接撞击将其摧毁,在1块拦截弹药发射之后,可快速重新装填;“IRONFIST”主动防护系统采用了发射拦截弹方式,利用拦截弹爆炸产生的冲击波在与受保护车辆安全距离外粉碎来袭目标。图4为“IRONFIST”主动防护系统构成。

针对不同平台和威胁,“IRONFIST”有2种版本,其中:Iron First Light Decoupled(IFLD)系统可提供多层次的保护,对激光、红外等制导导弹可以“软杀伤”方式进行干扰,而对于火箭助推榴弹和炮射破甲弹等则采用“硬杀伤”方式进行拦截;Iron First Light Kinetic(IFLK)系统则有一定的拦截聚能破甲弹和高速动能穿甲弹的能力,其拦截弹产生的爆炸冲击波会使动能穿甲弹偏离其攻击路径,从而降低其穿透重型装甲的有效性。图5为“IRONFIST”主动防护系统防护目标示意图。

2.2.2俄罗斯“AFGHANIT”主动防护系统

2015年5月9日,俄罗斯在莫斯科阅兵中首次展示的T-14型坦克和T-15型步兵战车上装备了其最新一代的主动防护系统。该系统采用了层次化防护手段,包括反应装甲、“硬杀伤”拦截系统、“软杀伤”干扰系统以及新型被动防护设计,主要特点如下:1)通过“软杀伤”主动防护系统“SHTORA-1”防护激光、红外制导等导弹威胁;2)通过“硬杀伤”主动防护系统“AFGANIT”防护非制导榴弹、破甲弹、穿甲弹等威胁;3)通过新型“MALACHIT”爆炸式反应装甲降低威胁打击损伤;4)通过基于新型高强度钢与新型陶瓷/芳纶织物非金属材料相结合的复合装甲,在前部提供超过900mm的轧制均质装甲(RolledHomogenousArmor,RHA)当量防护能力;5)通过特殊隔热涂层、电磁吸波材料和废气冷却等技术提高红外和雷达频谱隐身能力;6)通过主动电磁地雷干扰系统防护反装甲地雷威胁。图6为覆盖在T-14型坦克底盘两侧的模块化装甲。图7为安装在炮塔上的主动防护系统各组成部件的细节照片和功能注释。

T-14型坦克的模块化复合装甲由陶瓷和某种新型钢合金组成,可在北极极低温度下保持防护性能。该装甲使用细粒度的材料结构、优化的合金工艺和特殊的热处理制造。在相同重量下具有超出传统轧制均质装甲15%的防护能力,并提供类似于STANAG45695级的保护水平。与欧美国家的同类产品不同,T-14型坦克从一开始就将爆炸式反应装甲牢牢地融入到装甲和防护概念中。在T-14型坦克中,车体侧裙、前部和炮塔顶区域均有相应的瓦片式反应装甲防护。据报道,该反应装甲可对尾翼稳定脱壳穿甲弹提供等效1000~1100mm的轧制均质装甲当量防护能力,对聚能破甲弹提供等效1200~1400mm的轧制均质装甲当量防护能力。

2.2.3德国“StrikeShield”主动拦截防护系统

2021年5月,德国莱茵金属公司(Rheinmetall)确认匈牙利成为该公司“StrikeShield”混合装甲主动防护系统解决方案的首个客户,该系统获得了价值超过1.4亿欧元的订单,将为超过200辆山猫步兵战车提供防护。

“StrikeShield”是莱茵金属公司开发的第3代主动防护系统,采用了模块化、分布式、“硬杀伤”主动防护方案。该系统由厚度≤140mm的不同形状的模块化瓦片装甲组成,雷达、光电传感器和拦截弹药嵌入在瓦片装甲内部(图8为内嵌雷达和光电传感器的模块化瓦片装甲外形和内部结构照片)。一旦雷达探测到威胁,会引导光电传感器共同确认、分类威胁并启动拦截措施。该系统采用的主动防护与被动装甲混合设计方案,极大地降低了来袭威胁被系统拦截后的残余损害风险。图9为安装“StrikeShield”主动防护系统的拳师犬装甲车。图10为安装“StrikeShield”主动防护系统的山猫步兵战车。

分布式“StrikeShield”主动防护系统的拦截距离很近,可在近距离(≤15m)交战的情况下为车辆提供防御,非常适合于密集城市环境中的作战需求。因采用了超近距离拦截和极低功率的雷达传感器,其被战场电子侦察设备发现的概率较低。莱茵金属公司正在研究改进“StrikeShield”主动防护系统,以便能有效防护高速动能穿甲弹,并于近期开展了相关试验。

2.3“软杀伤”系统

2.3.1德国Hensoldt集团的“MUSS”系统

德国亨索尔特(Hensoldt)集团开发的基于无源光电传感器和“软杀伤”拦截措施的多功能防护系统(Multifunctional Self-protection System,MUSS),已在德国陆军的美洲狮步兵战车上装备了350多套。图11为安装“MUSS”主动防护系统的美洲狮步兵战车,其主要用于防护各类基于激光、红外或可见光制导的反坦克导弹和激光制导弹药等。

“MUSS”主动防护系统采用模块化的开放式系统构架,其组成如图12所示。该系统采用了4组无源威胁探测器,每个探测器集成了1个紫外导弹逼近告警传感器和1个激光告警传感器。中央处理单元接收和处理来自无源威胁探测器的信息,为车上乘员提供威胁逼近告警并启动相应的干扰措施。干扰措施包括1个可360°旋转的定向红外干扰器和多组干扰弹/烟雾弹发射器。与采用雷达传感器的系统相比,因“MUSS”主动防护系统采用了无源威胁探测器而不会被敌方电子侦察设备发现。大量试验验证了“MUSS”主动防护系统的干扰器对激光照射的有线制导导弹、第2/3代红外成像制导导弹、激光制导弹药和激光测距仪等威胁的有效性。

2021年10月,德国军方授予亨索尔特集团新一代“MUSS2.0”系统研制合同,通过提高传感器灵敏度,提升硬件处理能力,优化尺寸、重量和功耗,支持未来的“硬杀伤”末端拦截,以实现分层次的末端防御和应对新型威胁目标。“MUSS2.0”系统设计有各类反坦克导弹和非制导弹药的威胁数据库,可探测、分类、识别最新的激光制导威胁,包括第2代激光测距仪,以及采用连续波和脉冲调制的激光制导导弹,也具备敌方火力指示(HostileFireIndication,HFI)和本地态势感知能力。“MUSS2.0”系统的总重量(包括传感器、中央电子控制单元和干扰设备)由原来的90kg减到50kg左右,并具有更为紧凑的结构。根据德国军方的计划,“MUSS2.0”系统将装备于下一代美洲狮履带式步兵战车上,并可为8×8中型装甲车平台、主战坦克等提供防护。

2.3.2以色列的“软杀伤”系统

自研制初期,“IRONFIRST”就被设计成一个多层车辆保护系统,以达到以最低成本方式应对各类威胁的目标。以色列ARIELPhotonicsAssembly公司为“IRONFIRST”系统开发了用于对抗红外制导反坦克导弹的软杀伤“CLOUD”激光干扰器。图13为安装“CLOUD”激光干扰装置的“IRONFIRST”拦截弹发射器。

3技术指标与系统构成

主动防护系统的关键技术指标主要包括防御范围、系统反应时间、最小防御距离、拦截距离、多重拦截能力、短时多重拦截能力和同时威胁拦截能力等,如图14所示。其中:

1)系统反应时间。它是指系统探测、识别、跟踪和拦截来袭威胁所需的时间,包括传感器探测、识别、跟踪和反制措施拦截威胁的时间。一般来说,系统反应时间越短,系统拦截近距离发射威胁目标的能力就越强。若来袭威胁的飞行时间小于系统反应时间,则主动防护系统将无法有效对平台实施防护。

2)最小防御距离。它定义了威胁必须在多远的位置发射才能被有效拦截,其与系统反应时间密切相关,代表了威胁目标的最近发射距离,以便主动防护系统仍有足够的时间进行反应和实施拦截。

3)拦截距离(拦截点距离)。它与最小防御距离不同。拦截距离定义了主动防护系统的防护能力及可能带来的附带损伤。拦截距离越短,主动防护系统可能造成附带损害的风险就越小。

4)拦截能力。多重拦截能力、短时多重拦截能力和同时威胁拦截能力这3个指标对于主动防护系统来说也非常重要,其衡量了主动防护系统防御多重/同时攻击的能力。若1个系统有2个可旋转的发射器,每个发射器有2枚拦截弹,当系统未及时补给时,多重拦截能力被限制在4个威胁。

层次化主动防护系统构成如图15所示。车载主动(雷达)/被动(光电)传感器探测并跟踪来袭威胁,通过火控解算分类识别不同类型威胁,预测威胁轨迹,并引导采取反击措施。其中:“软杀伤”主动防护系统通过定向红外干扰器、诱饵弹或烟雾弹来诱偏来袭威胁,或通过烟雾弹阻碍来袭威胁的寻的能力;“硬杀伤”主动防护系统通过发射爆炸杀伤式/破片杀伤式拦截弹或发射爆炸成形炸药/定向高爆炸药,在距离车辆一定的安全距离外摧毁来袭威胁;反应装甲为车辆提供最后一层防护。

4发展趋势与应对措施

主动防护技术以其有限的增重,通过引入全新的防护理念,融合多种防护技术,可有效提高坦克装甲车辆在战场中的生存概率和使用效能。据统计,世界各国已开展研制和装备的主动防护系统不少于26个。根据坦克装甲车辆面临的多方向、多类型威胁和当前世界各国的装备特点,未来主动防护系统的发展趋势可概况为:

1)采用雷达、光电等不同物理原理的传感器组合,扩展探测范围,提高复杂环境下的威胁目标分类、识别能力,提升多个同时威胁目标的多目标跟踪能力,从而进一步增强抗干扰能力;

2)传感器探测范围实现半球覆盖,可对从较远距离到极短距离范围的低空慢速飞行目标、高空弹道目标和高速直接攻击目标等多种威胁进行预警、探测、识别和跟踪;

3)主动防护系统传感器与车辆综合作战管理系统集成,为车辆提供地面与空中态势感知、敌方火力指示等功能;

4)进一步完善“软杀伤”干扰措施和“硬杀伤”拦截手段,增大拦截范围,缩短系统反应时间,提升对高速动能弹的拦截能力,提高对连续从相同方向或同时从不同方向来袭目标的防护能力。

世界各国正在开发的新一代主动防护系统对现有的反装甲武器提出了新的挑战,亦需分析现役和未来主动防护系统的防御机理,研究各类主动防护系统的脆弱性,评估和研制潜在的反制手段。在不改变现有反装甲武器和其作战能力的情况下,利用当前主动防护系统传感器盲区和采用饱和攻击的方式是对抗主动防护系统的一个有效手段。另外,除俄罗斯的“AFGANIT”、以色列的“IFLK”可在一定程度上对抗高速动能穿甲弹攻击外,当前大部分主动防护系统不能对高速动能穿甲弹进行有效拦截。针对主动防护系统的作战方式和装备状况,国际上正在研究和发展2种新型反装甲武器:一种是组合式高速动能穿甲弹,另一种是旨在攻击主动防护系统传感器的高功率电磁脉冲导弹。即:

1)组合式高速动能穿甲弹。基本思路是将高速动能穿甲弹与爆炸成型弹头相结合:爆炸成型弹头由高强度金属(如钽)、高性能辛烷基高爆炸药、反应式爆炸波整形器和嵌入轻质钛结构的冲击内联(电子保险装置)引信系统组成;1个小口径、高长径比的钨质动能穿甲弹位于爆炸成型弹头后部。在作战使用上,组合式高速动能穿甲弹在主动防护系统拦截范围外引爆爆炸成型弹头,这不仅可欺骗主动防护系统、便于拦截,还可击中并引爆爆炸式反应装甲,而作为主要攻击手段的动能穿甲弹能够在主动防护系统作用的情况下存活下来,并最终有效命中目标。

2)高功率电磁脉冲导弹。基本思路是将高功率电磁脉冲产生装置和反坦克导弹相结合,利用高功率电磁脉冲干扰或烧穿主动防护系统雷达传感器和通信设备。相关领域近期的可行性研究揭示了其应用潜力,它通过采用紧凑型设计,可将电磁脉冲产生装置集成到反坦克导弹、肩扛式发射榴弹或炮弹中,从而达到失效主动防护系统探测雷达的目的。