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鋁合金裝甲容易自燃是個迷思!淺談化學能破甲後的穿透後效應

在軍事圈中常會聽聞到鋁合金裝甲被命中後容易自燃的事情,且時常批評使用鋁合金造的裝甲車並不堅固,但這並不全然是事實,甚至是倒果為因的迷思,事實上,鋁合金至今仍然是廣泛使用的裝甲材料,但如何正確的運用,才是真正的問題。

作者:唐納‧甘迺迪(Donald R. Kennedy)  編譯:李思平

  本文翻譯自1983年裝甲期刊中「錐形裝藥穿甲後效應」(Behind-armor Effects Produced by HEAT Ammunition)一文,作者唐納‧甘迺迪(Donald R. Kennedy)是反裝甲武器機制方面的研究專家,特別是對於錐形裝藥(HEAT)有長時間的研究(從50年代開始),而甘迺迪先生也是美國國防部與其防務承包商之獨立顧問。在此篇文章中,作者破除了一些對於鋁合金裝甲的常見迷思,並且解釋了化學能穿甲在穿透裝甲板後造成的殺傷效果,以及對機械和人員的影響。

 

穿甲後效應

▲在錐形裝藥(HEAT)的射流(Jet)射穿裝甲板(Target Material)後,裝甲背板會噴出大量的破片(Spall Fragments),但還有其他現象會讓車內變得更為致命。

  穿甲後效應(下簡稱後效),是由反裝甲武器機制的大小和設計,以及裝甲目標本身的材質和構型的綜合要素效果,而大致上後效機制如下:(其HEAT(化學彈)與動能彈(KE)部分則是類似,動能彈較但減量而延長。)

  ●射流在穿透裝甲後,裝甲背板會以射流為軸心解裂,並形成一束破片圓錐,在此圓錐內,破片的大小可能從沙粒般微小到大塊地都有可能,而其初速也可能是每秒數百甚至是數千英呎。在正常情況下,破片圓錐的角度可能是90~110度,其破片的可能是由射流、穿透體或裝甲背板本身所形成。值得注意的是,裝甲厚度可能會影響破片的形成,例如M2和M113被同一種反裝甲武器命中後,M2上的後效可能會比M113上的還小。

  ●依據錐形裝藥的藥罩材質(例如銅、鋼、鋁)、大小和攻擊點而定,其穿透後超壓、高熱、亮度可能會有所不同,對人員的傷害也不同。

  ●超壓的幅度,微弱的可能只有增加三分之一的大氣壓,但強勁的卻可能是三倍或更大的大氣壓,而持續時間可能達100毫秒,並依據暴露程度、持續時間、超壓幅度而定,對人員造成耳膜損傷至重傷的程度。例如肺部或人體其餘的空腔部位,都可能被瞬間超壓所影響,且超壓也可能將人員推離座椅,讓人員衝撞車輛內的硬物導致受傷。

  ●經過監測,車內的溫度可能瞬間超過室溫達華氏300度(約攝氏148度),且需要3分鐘才會恢復室溫。

  ●造成超壓和升溫的情況,須依據穿透體(射流)和裝甲的材質而定,而在過程中也會產生致盲性的亮光,導致人員未受保護的眼睛視力暫時性或永久性的受損。(但破片則會造成物理性的傷害)

  ●車內可能會充滿白色、窒息地、充滿粒子的氣體,同時氧氣大幅度地減少。根據英國最近的研究(1983),以銅做為藥罩的大口徑錐形裝藥在穿透鋁合金裝甲與現代裝甲車輛常用的厚度時,常會產生大量的氮化物(Oxides of nitrogen)。

  上述所有現象都可能在十分之一秒中發生。起初的衝擊波,是因為裝甲背板脫離後產生的破片,以及穿透體飛越車輛內部造成。此衝擊波也許很強但持續時間極短(短於1毫秒),因此尚不確定對人體是否有害,但另一方面,如果車內有物質可以迅速地被氧化(Oxidized)並釋放出高熱,或發生類似塵爆的狀況,則此現象會持續數十毫秒並同時產生高溫和超壓。可迅速被氧化的物質其實包含了鋁和鐵,都是裝甲載具上常見的物質,而鋁的迅速氧化反應雖然在現實中是更容易被注意到的,但這些在提升車輛生存性時的設計都要注意。

  當較小口徑的錐形裝藥,例如肩射的RPG,在發射PG-7彈頭(HEAT)並命中目標後,高溫、高亮度和超壓的現象是微弱的,但它在穿透裝甲後,射流甚至最微小的破片仍可能點燃燃料、液壓油和彈藥等,而如果再綜合可快速氧化之物質的特性,不論是裝甲本身或者是穿透體本身,則情況就會更為嚴重。

  當大口徑錐形裝藥(100~150mm)攻擊輕裝甲目標時,後效的人員殺傷效果就會非常顯著,且不論使用何種材質。因為此時的後效,包含了裝甲背板剝落以及穿透體剝落所產生的破片,殺傷力都是非常強的,且鋼裝甲剝落後形成的破片,也會比鋁裝甲所形成的致命(主要差別在於密度)。不過,作者認為即便是如此可怕的狀況,正確地設計戰鬥室和提供人員足夠的保護,是可以讓生存性提高的,例如為戰車兵提供防彈背心。

 

鋁合金裝甲容易燃燒是一個迷思

▲我們常在照片中見到焚毀、變形的鋁製裝甲車,也因此常常誤認成鋁合金裝甲被命中後很容易自燃。事實上,這些扭曲的殘骸都是車輛在經過長時間燃燒後形成,並非最初造成車內殺傷的原因。

  此外,在此特別註明,鋁合金裝甲是不會燃燒的,但燃料、推進藥、液壓油和其他有機物質則會燃燒。要讓鋁燃燒,必須令它處在融化狀態或者是破碎成小塊如粉末狀的情況下,在粉末狀時,很多原本不會燃燒的物體也會燃燒,例如鐵、鋼甚至是玉米粉,而這很類似工廠所發生的塵爆意外。

在這裡會特別提起,主要是破除坊間很多對於「鋁合金裝甲被命中後會燃燒」的迷思,因為大部分的人常常會想到福克蘭戰爭中的雪菲德號(Sheffield),是因為上結構用了不耐燃的鋁合金製造,最後才被飛魚飛彈殘留的燃料所焚毀。但事實上,雪菲德號本身的鋁合金結構並不是焚毀的最大主因(雪菲德號的上結構甚至不全是鋁合金),而是飛魚反艦飛彈本身有鋁合金框架,因此在搭配燃料燃燒後產生了高熱,且該枚飛彈一開始就摧毀了雪菲德號的電力系統和加壓海水消防幹管,最後導致全艦焚毀。因此,雪菲德號的鋁合金結構在此事件中其實是「非戰之罪」,而更慘的是,M113、M2/3的鋁合金裝甲也常常被拿來類比,錯誤地被說明是鋁合金裝甲的脆弱性。

 

蒸氣效應(The Vaporific effect)

▲透過改變藥罩(Liner)的配方,可有更大的機會引誘出蒸氣效應。

  舉例來說,當鋁合金在正確的溫度、壓力條件下被氧化時,將會釋出每立方公分20000大卡的熱量(軍用炸藥通常是每平方公分1500~2000大卡)。不過,釋放的速度和程度也會因條件而有所不同,且鋁的特性是氧化快速,因此過程通常是未完全的。然而,當遇上極音速物體時,例如射流鑽穿裝甲的過程,則會提高鋁粉末燃燒的過程。值得注意的是,不論是鋼或鋁,在正確的條件下都可能產生蒸氣爆炸。

  在越戰時,很多M113被PG-7擊毀,但卻從未提到鋁蒸氣效應,這是因為PG-7的彈頭太小,且後效通常是以形成破片為主。然而,專門用來對付重裝甲戰車的大口徑HEAT,則在命中輕裝甲載具後可以造成鋁蒸氣效應。

  為了利用蒸氣效應殺傷目標,歷史上有多種反戰車武器改變了藥罩材質,以尋求滿足促成蒸氣效應的條件。例如1954~1958年開發的Dart反戰車飛彈、1960年代末開發的AGM-65小牛飛彈、瑞典的FFV028地雷和AT-4反裝甲火箭等,都在藥罩中融入了鋁合金。

  當年廠商在推銷AT-4時,就特別強調了它有獨特的後效,能在瑞典寒冷的環境中貫穿裝甲並點燃柴油、可在車內造成超壓、高熱的傷害,並且製造可對機械零件造成傷害的次要破片,以及及時減損視力和長時間致盲的高亮度效果等。AT-4的超壓表現可達增加1大氣壓(15 psi),高亮度效果可達陽光的100倍,並讓裸眼有長達數分鐘的致盲效果(視力減弱),而AT-4也是首種對外公開且特別宣傳可在車內造成蒸氣效應的反裝甲武器。

 

抑制後效的方式

▲這是以90mm無後座力砲發射HEAT攻擊M113裝甲的後果,這兩張圖片的集彈靶是至於M113裝甲後3英尺,上圖為無防破片內襯,下圖為有防破片內襯,可見到兩者的顯著差異。

  早在1950年代時,軍方就已經知道化學能或動能穿甲造成的後效與其差異,並在60年代時試圖從載具設計上降低後效造成的影響,例如裝甲板後加裝可攔截破片的材質例如聚乙烯(Polyethylene)或玻璃纖維強化塑膠(Glass-reinforced plastic),組成防破片襯墊,但這種聚合物類在碰上化學能穿甲時有極大的缺點,因為以極音速前進的射流會將聚合物擊碎成破片雲狀,而這些聚合物破片雲雖然殺傷力遠低於金屬,但仍會對裸眼、皮膚造成損害,甚至被吸入肺部後也會造成傷害。

  然而,在以TOW(5吋彈頭)飛彈射擊M113裝甲車的測試時,雖然射流在裝甲上留下的破口仍然很大,且車內依然有破片廣佈,但實驗性的防破片襯墊(Spall liners)仍攔截了大量的破片。到了1974年,FMC開始使用杜邦新生產的纖維:凱夫勒(Kevlar)做實驗,而他們也發現,如果在M113的鋁合金裝甲板後加裝1英寸(25.4mm)厚的凱夫勒板,則66mm M72火箭彈在貫穿裝甲板後,多達90%的破片會被攔截,而陸軍也請求FMC開發更新,包含有抗破片襯墊的M113A1。

 

以燃料作為裝甲

  在1982年黎巴嫩戰爭中,以色列已經證明將人員和燃料隔開,並將油箱作為外部裝甲系統設計的一部分,可以大幅增加人員的生存性。原因是因為柴油對於HEAT的等效防禦基本上等同於同厚度的低碳鋼。而根據在M113A1上實驗,外部油箱對於阻擋.50穿甲彈和M28超級巴組卡火箭彈時很有效。

  有趣的是,柴油本身並非不可燃,或者是面對攻擊時不容易點燃,儘管這是它當初被選來取代汽油的主因。在50年代以前,陸軍認為冷卻的柴油並不容易被化學能武器所點燃,而即便點燃相較於汽油爆炸來說也不算過嚴重,但在1952年時,科學家發現只要在藥罩內混合入鋁合金,則化學能穿甲彈的射流將可輕易的點燃在嚴寒條件下的柴油,且不論油箱內是全滿或半滿、暴露或未暴露在裝甲外,而這也是AT-4特別宣稱的能力。

  此外,如果裝有柴油的油箱是置於鋁合金裝甲之後,那即便是常規的銅藥罩錐形裝藥,則在貫穿裝甲與油箱後,也能輕易地點燃柴油。舉例來說,在1967年測試時,軍方就發現PG-7在貫穿M113的左後側時(油箱所在),常常會發生燃料殉爆的情況。而在福克蘭戰爭期間,阿根廷軍的LVTP-7的鋁合金裝甲與油箱在被一枚古斯塔夫無後座力砲的HEAT命中貫穿後,也曾發生燃料殉爆而車上20人無一倖免的慘劇。

  為了減少這類的慘劇發生,美軍在同期開始在裝甲載具上加裝了海龍(Halon)滅火系統,其原理在更短的時間內,偵測到火災(大量熱能)出現後,即噴灑海龍先行抑制,避免發生燃料殉爆的情況。

  外置的自封油箱有幾個優點,首先,當子彈或破片貫穿油箱時,油箱幾乎不會損失大量的油料或起火,但如果被大口徑動能彈或化學能(不論大或小)射流命中,則會降低穿透體的穿透力,並會引爆裝有油料的油箱,但因是在裝甲外且設計良好的情況下,爆炸對車內影響並不大。因此,理想的外置油箱設計,應該是分成多個油箱,朝外面有較薄的裝甲,內側則較厚,接著才是主裝甲,這樣可以避免一次損失所有油箱的風險,且本身也會成為良好的外掛裝甲。

 

為人員增加防護

  要減少人員在車輛被貫穿後造成的傷害,很大一部分必須仰賴良好的車輛設計,例如M1艾布蘭,就將砲彈完全從戰鬥室隔開,只留下活動式的防爆門可以相通,而彈藥殉爆後也可以從上方洩壓口排出。儘管良好的車輛設計可以避免全車殉爆的情況發生,但穿透體在穿透裝甲後,仍可能會對車組員造成不良影響和傷害,因此車組員也可以增加一些提高生存性的裝備,例如防彈背心。

  為人員提供防護並非新概念,早在一次大戰時,戰車兵就穿著盔甲和防破片面罩,以減少從裝甲縫隙鑽入的彈頭和破片,或者是鉚釘被命中後射出所造成的傷害,特別是頭部和眼睛的部分。此外,當時的戰車兵也會穿戴防毒面具,主要是避免被毒氣和車內的引擎以及武器廢氣所毒害。

  在1980年代時,美國陸軍已經開發了使用凱夫勒纖維作為外虧的新戰車通信盔(DH-132A)、全新Nomex製連身防火服、新NBC防護服、新防毒面具、強光變色鏡片(Photochromic,遭遇突然強光後會變暗)以及液冷式人身裝備等,這些裝備可以增強車組員在極端溫度環境下的生存性和舒適度。在80年代,美軍確實是想讓這些裝備整合成戰鬥載具車組員的整合式服裝,且外觀也是當時考慮到的一點,因為這也會增加戰車兵穿著的意願。(作者建議可以參考賽車手的服裝)

 

編譯結論:

  現代,美國陸軍的戰車兵擁有全世界生存性最佳的戰車,但他們還是非常注重人員的防護裝備,而目前因為新的戰鬥服本身就有抗焰效果,因此不再特別穿連身防火服,至於強光變色鏡片則沒有配戴,車內也無強制要求配戴護目鏡(主要還是操作戰車時,射手和車長有眼貼目鏡的需要),至於液冷式人身裝備則沒有普遍配備。整體上,現代美國陸軍戰車兵的配備達到了作者認為的標準,儘管不是全部,但至少在抗破片和抗焰上的能力是很足夠的,而只要肉體不被破片傷害,在發生火災時衣服不會黏在皮膚上或直接讓皮膚暴露火源,都有很大的機會活下來。