裝甲兵是現代戰爭中主要的地面突擊力量,坦克裝甲車輛作為裝甲兵的主戰裝備,在不斷提升火力、機動性和信息化能力的同時,因其在現代戰場上需要隨時面對陸地和空中各種智能化反裝甲武器立體攻擊的威脅,使得坦克裝甲車輛的防護能力成為保證其戰鬥力的重要要素。近年來,諸如反坦克導彈、具有串聯式裝藥彈頭的火箭助推榴彈、高速動能穿甲彈、具有爆炸成型彈頭的頂部攻擊彈藥、智能反裝甲地雷、自殺式無人機和巡飛彈等各類高效能反裝甲彈藥,已大量裝備各國部隊並在世界各地的一些局部衝突中取得了較多戰果。坦克裝甲車輛原有的防護優勢被極大地削弱,如何有效提升坦克裝甲車輛的戰場生存能力成為了世界各國研究的焦點問題。

隨着反裝甲技術的不斷發展,通過簡單的增加裝甲厚度已不能對坦克裝甲車輛及其乘員進行有效保護,且更重的裝甲會導致平台產生機動性、通過性等方面的問題,這也說明目前被動防護系統的發展已達到了技術瓶頸。通過改變裝甲結構也可提高坦克裝甲車輛防護性能,典型的裝甲結構有間隔裝甲、反應裝甲、複合裝甲等,但近些年來研究和發展的反爆炸裝甲串聯戰鬥部技術也已使間隔裝甲、反應裝甲等防護技術黯然失色。此外,簡單地增加塊狀裝甲也不適用於較輕的戰鬥車輛。

在坦克裝甲車輛戰場防護方面,世界各國當前的研究和裝備熱點是融合被動、主動傳感器和採用多種對抗措施的層次化主動防護系統。為應對以火箭助推榴彈(Rocket Propelled Grenade,RPG)和反坦克導彈(Anti-Tank Guided Missile,ATGM)為代表的威脅,配備了主動和被動傳感器並輔以“軟殺傷”和“硬殺傷”攔截手段的主動防護系統,已成為坦克裝甲車輛應對現代戰場生存能力挑戰最受歡迎的技術之一。

1戰場威脅分析

隨着智能彈藥等新興軍事技術的發展,現代戰場上地面作戰坦克裝甲車輛不僅易受傳統各類制導反坦克導彈、非制導火箭助推榴彈、炮射聚能破甲彈、高速動能穿甲彈等武器彈藥的側向打擊,而且會受到末敏彈、巡飛彈、察打一體無人機等的空中頂部攻擊,還會受到新型智能反裝甲地雷對其底部、側向和頂部的全方位打擊。也就是說,在現代戰場環境下,遂行作戰任務的坦克裝甲車輛將面臨空中、地面、地下的全方位威脅,如圖1所示。坦克裝甲車輛面臨的威脅類型及相關打擊和制導方式如表1所示。

2裝備現狀

傳統坦克裝甲車輛一般依賴金屬裝甲或複合裝甲提高其防護能力,其更厚、更重的裝甲限制了車輛的機動性,增加了燃料損耗,並對動力系統和懸掛系統造成了巨大壓力。隨着聚能破甲彈和動能穿甲彈等能夠擊穿非常厚常規裝甲的反裝甲武器的出現,世界各國軍隊開始重新考慮裝甲車輛的防護手段,這促進了各類主動防護系統的發展。總的來說,用於坦克裝甲車輛的主動防護系統,按照作用距離由近及遠的順序可分為反應裝甲、“硬殺傷”系統和“軟殺傷”系統3個層次，如圖2所示。

2.1反應裝甲

2.1.1實現原理

爆炸式反應裝甲由夾在2塊裝甲板之間的高爆炸藥構成。當定向爆炸彈頭擊中爆炸式反應裝甲時,彈頭的能量會使夾在中間的炸藥爆炸,並在彈頭到達車輛的主裝甲之前將其能量中和。同樣,爆炸式反應裝甲的爆炸威力也會使動能穿甲彈發生偏轉,防止其穿透主裝甲,其中重型爆炸式反應裝甲甚至可以打破動能穿甲彈。現代反坦克導彈通常採用串聯式裝藥彈頭,其包括1個位於彈頭頂端的較小子彈和1個較大主彈藥,子彈的作用是引爆爆炸式反應裝甲並暴露出下面的主裝甲,以使主彈藥可擊穿主裝甲。爆炸式反應裝甲會產生彈片,伴隨步兵需要與車輛保持一定的安全距離。

為取代高爆炸藥,非爆炸式反應裝甲採用了某種惰性材料(如橡膠),以作為裝甲板之間的襯墊。非爆炸式反應裝甲的基本工作原理與爆炸式反應裝甲相同,均為提前耗散彈頭的能量,防止彈頭擊穿車輛的主裝甲,但非爆炸式反應裝甲通常不如爆炸式反應裝甲有效。此外,非爆炸式反應裝甲重量更輕,具有一定防禦串聯彈頭的能力。

電磁反應式裝甲是一個相對較新的概念,它由2塊金屬板組成,中間有1個不導電的緩衝層,2塊金屬板通過加高壓積累電荷而形成1個電容器。當爆炸式彈頭或動能穿甲彈擊中外層金屬板後,繼續穿透非導電緩衝層,使2塊帶電板接觸而發生短路,高壓電容器釋放其積累的能量,以防止或削弱來襲彈頭的爆炸或動能。

2.1.2國外裝備的典型反應裝甲

美國通用動力陸地系統公司(General Dynamics Land System,GDLS)為美軍主戰坦克設計了2種不同的爆炸式反應裝甲系統,二者均被命名為“ARAT”,其中:磚塊狀的“M19ARAT1”於2006年推出,水平安裝,以防禦側向來襲的反坦克武器;“M32ARAT2”於2008年推出,其彎曲的瓦片形狀更適合於偏轉高速動能彈藥。與“M19ARAT1”不同,“M32ARAT2”可以以向下或向上的角度安裝,以優化對簡易爆炸裝置或高空發射武器的防禦;“M19ARAT1”可以單獨安裝,“M32ARAT2”則可以直接放在“M19ARAT1”上面,形成1個雙層的爆炸式反應裝甲系統。另外,“ARAT”系統的1個優點是其在被小型武器(如機槍彈丸)擊中時,不會被引爆。GDLS與以色列拉斐爾公司合作,於2014年推出了為M2布雷德利戰車系統和“STRYKER”輪式戰車系列研製的爆炸式反應裝甲系統,分別命名為“BFVS”和“SRATII”,與“ARAT”系列反應裝甲相比,進一步減輕了重量。“BFVS”反應裝甲瓦片可防禦絕大部分肩扛式反坦克武器,而“SRATII”則針對城市環境進行了優化。

俄羅斯在2006年推出的第3代“RELIKT”爆炸式反應裝甲,被部署在T-72B型、T-80B型和T-90AM型主戰坦克以及BMPT系列火力支援車上。該反應裝甲由夾在2塊金屬板之間的2kg高爆炸藥組成,爆炸式反應裝甲和有機裝甲之間的惰性緩衝器為坦克車體提供額外的保護,其中:矩形的反應裝甲保護車輛的側翼和背部,而梯形的反應裝甲套件則排列在炮塔周圍。根據報道,“RELIKT”爆炸式反應裝甲對串聯破甲彈藥的防護效果是蘇聯時期第2代“Kontakt-5”爆炸式反應裝甲的2倍。隨着“ARMATA”裝甲車系列的出現,俄羅斯推出了第4代爆炸式反應裝甲,命名為“MALACHIT”。據西方專家推測,該反應裝甲可能是由層壓陶瓷複合基體構成。

2.2“硬殺傷”系統

2.2.1以色列“TROPHY”與“IRONFIST”主動防護系統

近20年來,以色列一直是坦克裝甲車輛防護系統和主動防護系統研製和裝備的先驅者,在其占領南黎巴嫩期間(1982—2000年),就已對“紫雷”主動防護系統(PURPLE THUNDER)進行了作戰測試。經過30多年的發展,2家以色列公司的主動防護系統系列產品受到了國際認可:由拉斐爾先進防禦系統公司(Rafael Advanced Defense SystemsLtd.,RAFAEL)開發的“TROPHY”系統和由以色列軍事工業公司(Israel Military Industries,IMI)開發的“IRONFIST”系統。

在目標感知上,上述2種主動防護系統均依靠雷達進行威脅探測、分類識別和目標捕獲跟蹤,其中:“TROPHY”主動防護系統使用了IAIElta系統公司的“WindGuard”雷達;“IRONFIST”主動防護系統採用了RADA公司開發了“CHR”緊湊型半球雷達。此外,這2種系統的最新版本均增強了敵方火力探測,近距離區域和空中監視等多任務能力。“WindGuard”雷達是一種四面分布式相控陣脈衝多普勒雷達,可探測和自動跟蹤各類反坦克火箭、反坦克導彈和坦克炮彈。一旦探測到潛在威脅,雷達就會向乘員發出預警,指出威脅的準確三維方向,計算威脅到達時間,並自動啟動“TROPHY”的“硬殺傷”保護系統。“WindGuard”雷達可和Elta系統公司的“OTHELLO”光電傳感器進行數據融合(如圖3所示),以有效探測、分類、識別和定位各類來襲威脅。RADA公司近期推出了第2代“CHR”多任務雷達,以提高對陸上和空中威脅的態勢感知能力。該系統採用的邊搜索邊跟蹤模式和快速重訪模式可同時處理數百個目標,並可同車輛上的紅外、可見光傳感器協同工作,利用多普勒和其他目標特徵進行目標識別、分類和跟蹤,並為車上人員提供完整的動態空中態勢圖。該雷達系統除了能探測各類來襲彈藥外,還能有效探測和識別無人機和巡飛彈等目標。

在攔截措施上,上述2種系統均採用了可旋轉發射器方式:“TROPHY”主動防護系統採用了基於爆炸成形彈藥的反制措施,在距受保護車輛相對較遠的位置與來襲威脅相遇,通過直接撞擊將其摧毀,在1塊攔截彈藥發射之後,可快速重新裝填;“IRONFIST”主動防護系統採用了發射攔截彈方式,利用攔截彈爆炸產生的衝擊波在與受保護車輛安全距離外粉碎來襲目標。圖4為“IRONFIST”主動防護系統構成。

針對不同平台和威脅,“IRONFIST”有2種版本,其中:Iron First Light Decoupled(IFLD)系統可提供多層次的保護,對激光、紅外等制導導彈可以“軟殺傷”方式進行干擾,而對於火箭助推榴彈和炮射破甲彈等則採用“硬殺傷”方式進行攔截;Iron First Light Kinetic(IFLK)系統則有一定的攔截聚能破甲彈和高速動能穿甲彈的能力,其攔截彈產生的爆炸衝擊波會使動能穿甲彈偏離其攻擊路徑,從而降低其穿透重型裝甲的有效性。圖5為“IRONFIST”主動防護系統防護目標示意圖。

2.2.2俄羅斯“AFGHANIT”主動防護系統

2015年5月9日,俄羅斯在莫斯科閱兵中首次展示的T-14型坦克和T-15型步兵戰車上裝備了其最新一代的主動防護系統。該系統採用了層次化防護手段,包括反應裝甲、“硬殺傷”攔截系統、“軟殺傷”干擾系統以及新型被動防護設計,主要特點如下:1)通過“軟殺傷”主動防護系統“SHTORA-1”防護激光、紅外製導等導彈威脅;2)通過“硬殺傷”主動防護系統“AFGANIT”防護非制導榴彈、破甲彈、穿甲彈等威脅;3)通過新型“MALACHIT”爆炸式反應裝甲降低威脅打擊損傷;4)通過基於新型高強度鋼與新型陶瓷/芳綸織物非金屬材料相結合的複合裝甲,在前部提供超過900mm的軋制均質裝甲(RolledHomogenousArmor,RHA)當量防護能力;5)通過特殊隔熱塗層、電磁吸波材料和廢氣冷卻等技術提高紅外和雷達頻譜隱身能力;6)通過主動電磁地雷干擾系統防護反裝甲地雷威脅。圖6為覆蓋在T-14型坦克底盤兩側的模塊化裝甲。圖7為安裝在炮塔上的主動防護系統各組成部件的細節照片和功能注釋。

T-14型坦克的模塊化複合裝甲由陶瓷和某種新型鋼合金組成,可在北極極低溫度下保持防護性能。該裝甲使用細粒度的材料結構、優化的合金工藝和特殊的熱處理製造。在相同重量下具有超出傳統軋制均質裝甲15%的防護能力,並提供類似於STANAG45695級的保護水平。與歐美國家的同類產品不同,T-14型坦克從一開始就將爆炸式反應裝甲牢牢地融入到裝甲和防護概念中。在T-14型坦克中,車體側裙、前部和炮塔頂區域均有相應的瓦片式反應裝甲防護。據報道,該反應裝甲可對尾翼穩定脫殼穿甲彈提供等效1000~1100mm的軋制均質裝甲當量防護能力,對聚能破甲彈提供等效1200~1400mm的軋制均質裝甲當量防護能力。

2.2.3德國“StrikeShield”主動攔截防護系統

2021年5月,德國萊茵金屬公司(Rheinmetall)確認匈牙利成為該公司“StrikeShield”混合裝甲主動防護系統解決方案的首個客戶,該系統獲得了價值超過1.4億歐元的訂單,將為超過200輛山貓步兵戰車提供防護。

“StrikeShield”是萊茵金屬公司開發的第3代主動防護系統,採用了模塊化、分布式、“硬殺傷”主動防護方案。該系統由厚度≤140mm的不同形狀的模塊化瓦片裝甲組成,雷達、光電傳感器和攔截彈藥嵌入在瓦片裝甲內部(圖8為內嵌雷達和光電傳感器的模塊化瓦片裝甲外形和內部結構照片)。一旦雷達探測到威脅,會引導光電傳感器共同確認、分類威脅並啟動攔截措施。該系統採用的主動防護與被動裝甲混合設計方案,極大地降低了來襲威脅被系統攔截後的殘餘損害風險。圖9為安裝“StrikeShield”主動防護系統的拳師犬裝甲車。圖10為安裝“StrikeShield”主動防護系統的山貓步兵戰車。

分布式“StrikeShield”主動防護系統的攔截距離很近,可在近距離(≤15m)交戰的情況下為車輛提供防禦,非常適合於密集城市環境中的作戰需求。因採用了超近距離攔截和極低功率的雷達傳感器,其被戰場電子偵察設備發現的概率較低。萊茵金屬公司正在研究改進“StrikeShield”主動防護系統,以便能有效防護高速動能穿甲彈,並於近期開展了相關試驗。

2.3“軟殺傷”系統

2.3.1德國Hensoldt集團的“MUSS”系統

德國亨索爾特(Hensoldt)集團開發的基於無源光電傳感器和“軟殺傷”攔截措施的多功能防護系統(Multifunctional Self-protection System,MUSS),已在德國陸軍的美洲獅步兵戰車上裝備了350多套。圖11為安裝“MUSS”主動防護系統的美洲獅步兵戰車,其主要用於防護各類基於激光、紅外或可見光制導的反坦克導彈和激光制導彈藥等。

“MUSS”主動防護系統採用模塊化的開放式系統構架,其組成如圖12所示。該系統採用了4組無源威脅探測器,每個探測器集成了1個紫外導彈逼近告警傳感器和1個激光告警傳感器。中央處理單元接收和處理來自無源威脅探測器的信息,為車上乘員提供威脅逼近告警並啟動相應的干擾措施。干擾措施包括1個可360°旋轉的定向紅外干擾器和多組干擾彈/煙霧彈發射器。與採用雷達傳感器的系統相比,因“MUSS”主動防護系統採用了無源威脅探測器而不會被敵方電子偵察設備發現。大量試驗驗證了“MUSS”主動防護系統的干擾器對激光照射的有線制導導彈、第2/3代紅外成像制導導彈、激光制導彈藥和激光測距儀等威脅的有效性。

2021年10月,德國軍方授予亨索爾特集團新一代“MUSS2.0”系統研製合同,通過提高傳感器靈敏度,提升硬件處理能力,優化尺寸、重量和功耗,支持未來的“硬殺傷”末端攔截,以實現分層次的末端防禦和應對新型威脅目標。“MUSS2.0”系統設計有各類反坦克導彈和非制導彈藥的威脅數據庫,可探測、分類、識別最新的激光制導威脅,包括第2代激光測距儀,以及採用連續波和脈衝調製的激光制導導彈,也具備敵方火力指示(HostileFireIndication,HFI)和本地態勢感知能力。“MUSS2.0”系統的總重量(包括傳感器、中央電子控制單元和干擾設備)由原來的90kg減到50kg左右,並具有更為緊湊的結構。根據德國軍方的計劃,“MUSS2.0”系統將裝備於下一代美洲獅履帶式步兵戰車上,並可為8×8中型裝甲車平台、主戰坦克等提供防護。

2.3.2以色列的“軟殺傷”系統

自研製初期,“IRONFIRST”就被設計成一個多層車輛保護系統,以達到以最低成本方式應對各類威脅的目標。以色列ARIELPhotonicsAssembly公司為“IRONFIRST”系統開發了用於對抗紅外製導反坦克導彈的軟殺傷“CLOUD”激光干擾器。圖13為安裝“CLOUD”激光干擾裝置的“IRONFIRST”攔截彈發射器。

3技術指標與系統構成

主動防護系統的關鍵技術指標主要包括防禦範圍、系統反應時間、最小防禦距離、攔截距離、多重攔截能力、短時多重攔截能力和同時威脅攔截能力等,如圖14所示。其中:

1)系統反應時間。它是指系統探測、識別、跟蹤和攔截來襲威脅所需的時間,包括傳感器探測、識別、跟蹤和反制措施攔截威脅的時間。一般來說,系統反應時間越短,系統攔截近距離發射威脅目標的能力就越強。若來襲威脅的飛行時間小於系統反應時間,則主動防護系統將無法有效對平台實施防護。

2)最小防禦距離。它定義了威脅必須在多遠的位置發射才能被有效攔截,其與系統反應時間密切相關,代表了威脅目標的最近發射距離,以便主動防護系統仍有足夠的時間進行反應和實施攔截。

3)攔截距離(攔截點距離)。它與最小防禦距離不同。攔截距離定義了主動防護系統的防護能力及可能帶來的附帶損傷。攔截距離越短,主動防護系統可能造成附帶損害的風險就越小。

4)攔截能力。多重攔截能力、短時多重攔截能力和同時威脅攔截能力這3個指標對於主動防護系統來說也非常重要,其衡量了主動防護系統防禦多重/同時攻擊的能力。若1個系統有2個可旋轉的發射器,每個發射器有2枚攔截彈,當系統未及時補給時,多重攔截能力被限制在4個威脅。

層次化主動防護系統構成如圖15所示。車載主動(雷達)/被動(光電)傳感器探測並跟蹤來襲威脅,通過火控解算分類識別不同類型威脅,預測威脅軌跡,並引導採取反擊措施。其中:“軟殺傷”主動防護系統通過定向紅外干擾器、誘餌彈或煙霧彈來誘偏來襲威脅,或通過煙霧彈阻礙來襲威脅的尋的能力;“硬殺傷”主動防護系統通過發射爆炸殺傷式/破片殺傷式攔截彈或發射爆炸成形炸藥/定向高爆炸藥,在距離車輛一定的安全距離外摧毀來襲威脅;反應裝甲為車輛提供最後一層防護。

4發展趨勢與應對措施

主動防護技術以其有限的增重,通過引入全新的防護理念,融合多種防護技術,可有效提高坦克裝甲車輛在戰場中的生存概率和使用效能。據統計,世界各國已開展研製和裝備的主動防護系統不少於26個。根據坦克裝甲車輛面臨的多方向、多類型威脅和當前世界各國的裝備特點,未來主動防護系統的發展趨勢可概況為:

1)採用雷達、光電等不同物理原理的傳感器組合,擴展探測範圍,提高複雜環境下的威脅目標分類、識別能力,提升多個同時威脅目標的多目標跟蹤能力,從而進一步增強抗干擾能力;

2)傳感器探測範圍實現半球覆蓋,可對從較遠距離到極短距離範圍的低空慢速飛行目標、高空彈道目標和高速直接攻擊目標等多種威脅進行預警、探測、識別和跟蹤;

3)主動防護系統傳感器與車輛綜合作戰管理系統集成,為車輛提供地面與空中態勢感知、敵方火力指示等功能;

4)進一步完善“軟殺傷”干擾措施和“硬殺傷”攔截手段,增大攔截範圍,縮短系統反應時間,提升對高速動能彈的攔截能力,提高對連續從相同方向或同時從不同方向來襲目標的防護能力。

世界各國正在開發的新一代主動防護系統對現有的反裝甲武器提出了新的挑戰,亦需分析現役和未來主動防護系統的防禦機理,研究各類主動防護系統的脆弱性,評估和研製潛在的反制手段。在不改變現有反裝甲武器和其作戰能力的情況下,利用當前主動防護系統傳感器盲區和採用飽和攻擊的方式是對抗主動防護系統的一個有效手段。另外,除俄羅斯的“AFGANIT”、以色列的“IFLK”可在一定程度上對抗高速動能穿甲彈攻擊外,當前大部分主動防護系統不能對高速動能穿甲彈進行有效攔截。針對主動防護系統的作戰方式和裝備狀況,國際上正在研究和發展2種新型反裝甲武器:一種是組合式高速動能穿甲彈,另一種是旨在攻擊主動防護系統傳感器的高功率電磁脈衝導彈。即:

1)組合式高速動能穿甲彈。基本思路是將高速動能穿甲彈與爆炸成型彈頭相結合:爆炸成型彈頭由高強度金屬(如鉭)、高性能辛烷基高爆炸藥、反應式爆炸波整形器和嵌入輕質鈦結構的衝擊內聯(電子保險裝置)引信系統組成;1個小口徑、高長徑比的鎢質動能穿甲彈位於爆炸成型彈頭後部。在作戰使用上,組合式高速動能穿甲彈在主動防護系統攔截範圍外引爆爆炸成型彈頭,這不僅可欺騙主動防護系統、便於攔截,還可擊中並引爆爆炸式反應裝甲,而作為主要攻擊手段的動能穿甲彈能夠在主動防護系統作用的情況下存活下來,並最終有效命中目標。

2)高功率電磁脈衝導彈。基本思路是將高功率電磁脈衝產生裝置和反坦克導彈相結合,利用高功率電磁脈衝干擾或燒穿主動防護系統雷達傳感器和通信設備。相關領域近期的可行性研究揭示了其應用潛力,它通過採用緊湊型設計,可將電磁脈衝產生裝置集成到反坦克導彈、肩扛式發射榴彈或炮彈中,從而達到失效主動防護系統探測雷達的目的。