垂直动量等效装甲防护的制作方法

专利名称:垂直动量等效装甲防护的制作方法
这是关于军事装备防护的发明，属于力学、机械、材料和军事装备特别是装甲防护技术领域：
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迄今为止的装甲防护，都是在穿甲弹打到装甲上之后怎样不使穿甲弹打穿打破装甲的办法，只是在装甲的厚度、硬度和材料成分、多层复合、反应装甲和装甲斜度上作文章，都属于加厚盾的思路。这些办法的结果，使装甲变得又厚又重，使坦克笨重机动力差、内部空间狭小、难以装载足够有效的武器、载弹量载油量续航力差，而这样的任何装甲防护总是能被更有力的穿甲弹打穿，特别是顶部和侧面装甲薄弱，容易被击破。
本发明的目的是以打击、破坏矛来代替加厚盾，在穿甲弹的侧面施加足够的垂直动量把这个矛打飞，或是极大地减低穿甲弹的动能改变其方向，等效于一个足够强大的装甲，即垂直动量等效装甲防护，以轻、薄的动量轮代替厚重的固定装甲，取得彻底的防护。
本发明的基本方法是，在装甲的一段距离前，设置高速旋转的动量轮，任何穿甲弹击穿这个轮时，被动量轮横切打击获得与其原速度垂直的动量，使其速度方向发生偏折且自身轴线发生偏转并因轴线偏转穿越动量轮损失大量动能使速度所剩无几，并使穿甲弹因方向偏折而脱靶或击到炮塔边缘弹离，或即使仍打到装甲上，穿甲弹方向偏折后与原方向夹有较大偏折角度，弹体因轴线偏转而以倾斜姿态侧平移碰触装甲，已无法击穿或击破装甲。
关于附图的说明
图1是关于穿甲弹在击穿动量轮过程中偏转偏折的示意图；图2是动量轮正面被穿甲弹偏转后击穿破孔形状的示意图；图3是关于多重动量轮逐次加大穿甲弹偏转偏折的示意图；图4是反向动量轮组使穿越的穿甲弹受到急剧剪切的示意图。
下面结合附图做详细说明。
附图中，轴1以转速N驱动半径为R的动量轮2旋转，轴1指向敌弹来袭的方向，动量轮被穿甲弹在半径R1处击穿，该处具有沿切线方向之线速度VL，其大小等于角速度与半径R1的乘积，动量轮转速N足够高时，破口线速度VL足够大，能够给予穿甲弹的垂直动量就足够大，在图1右图中，穿甲弹3本来沿其轴线与轴1平行的方向以原速度V1飞行，进入动量轮时头部被动量轮以破口线速度VL横切得到与原方向V1垂直的动量即本说明书所述的垂直动量，使穿甲弹轴线发生偏转形成穿甲弹头部穿越动量轮的倾斜姿态31(为了表示清楚，设穿甲弹轴线在纸平面上偏转倾斜，忽略表示上的角度误差，下同)，偏转后的穿甲弹以倾斜平移的姿态继续穿越动量轮，如图1中图，穿甲弹从头部到其重心的前半段在穿越时受到动量轮旋转横切的持续作用，轴线偏转加大，其速度与原速度方向(简称原方向，下同)的夹角也继续加大，形成中部穿越时更大的偏转倾斜姿态32，而穿甲弹尾部穿越动量轮时，动量轮横切的作用虽然倾向于使穿甲弹偏转角度减小，但是穿甲弹已经以很大的角度倾斜如图1左图33的姿态，这个较大的倾斜角使得动量轮横切点到穿甲弹重心之间的作用力臂比起头部被横切时的作用力臂大大减小，却对加大穿甲弹速度与原速度的夹角起到更大作用，因此穿甲弹重心到尾部的后半段穿越动量轮时受横切而减小偏转角度的作用远小于穿甲弹前半段特别是头部穿越时受动量轮横切而加大偏转角度的作用，合起来作用的结果仍使穿甲弹穿越动量轮后具有较大的偏转角度，如图1左图中，穿越后穿甲弹轴线与原方向夹角为偏转角A2，穿甲弹速度V2与原方向的夹角为偏折角A1，一般情形下，A2＞A1，穿甲弹穿越动量轮后以较大偏折角沿速度V2以倾斜姿态平移飞行，这段飞行中速度V2的垂直分量(方向与VL一致)使穿甲弹继续加大垂直方向位移，其结果，当穿甲弹飞抵装甲4的位置时，或者脱靶如位置35，或者击中装甲4的斜角较大的边缘而弹离，即使仍然击中装甲中部，但由于穿甲弹已经偏转到A2很大的倾斜姿态，形成穿甲弹身侧面与装甲的擦碰，穿甲弹速度V2在装甲法向上的穿透速度分量很小而碰触面积较大，穿甲弹速度平行于装甲表面方向上的滑移分量又大大增加穿甲弹沿装甲表面滑移弹离装甲的概率；同时，穿甲弹速度V2方向上的可能的穿甲路径长度比起装甲厚度来大大增加；再有，穿甲弹头部穿越动量轮时，穿孔如图2右图半径R1处K1孔，而尾部穿越时，如上述，弹身已经有很大偏转倾斜，即使仍然能够穿越动量轮，偏转倾斜的弹身以在动量轮上投影长度穿越留下长形破孔如图2左图的K2所示，造成巨大的穿越动能损失，还会伴有巨大的尾翼部的穿越动能损失，使穿甲弹即使仍能穿越动量轮，其残余动能和速度也所剩无几，这也是使穿甲弹无法击穿装甲的重要因素，上述3个因素综合作用的结果，使穿甲弹击穿装甲成为不可能。
实施例1坦克装甲4前3米处设1个直径1米平均厚度10毫米转速12000转/分匀质钢的动量轮2，被长度500毫米直径30毫米速度V1＝1600每秒米的尾翼稳定脱壳穿甲弹(以下简称长杆弹)3在半径R1＝159毫米处击穿，该处线速度VL＝200每秒米，长杆弹头部破孔K1的直径约30毫米，动量轮的动量矩横切施加给长杆弹头部的垂直动量使之具有的垂直速度分量约等于VL，使长杆弹发生偏转，在尾部穿越后在动量轮上留下狭长的破口K2，破口长度约等于长杆弹长度与比值VL/V1的乘积即约62毫米，这种横身穿越的巨大阻力使穿越后长杆弹速度V2在原方向上的分量即其水平分量降低到800每秒米，而在VL方向上的垂直分量约为200每秒米，V2的值约为825每秒米，偏折角A1约为14度，长杆弹飞抵装甲4时沿垂直方向位移750毫米，一般情形下已经脱靶或击中装甲边缘弹离，即使仍然击中装甲，由于长杆弹轴线偏转角A2比A1更大，长杆弹以大倾斜姿态以弹头侧面与装甲低速擦碰，击穿装甲已不可能。
穿甲弹面对顺时针旋转的动量轮击中右半边向下旋转的部分时，速度方向有向下偏折的分量，但是配合动量轮防护系统的装甲已经不是向斜上方倾斜，故穿甲弹向下偏折的速度分量并不能使它对正装甲法向，如果脱靶则打入地面，如果击中装甲，仍然因为上述动能所剩无几和偏转后弹体侧碰擦装甲而无法击穿装甲。
对于破甲弹，在头部碰触到动量轮时聚能炸药被触发，其极高速的射流只能在动量轮上打个小洞，而对几米外的装甲无大影响。
1个动量轮在遭受几次穿甲弹和破甲弹命中后会损毁而失去效用，不过在实战环境，能够抗住几发准确命中的穿甲弹和破甲弹就已经够用，且敌方第一弹击中无效，就极易被我方坦克击毁。此外，可以使用本发明所述的多重动量轮防护系统。
动量轮可用钢铁等金属材料制造，也可用特种陶瓷、特种水泥、高强度尼龙等非金属材料制造。由于上述穿甲弹头部接触动量轮后弹体发生偏转使穿越动量轮的阻力非常大，更高的转速使得弹体发生更大的偏转可使穿越阻力更大，因此提高转速可以折合为增加动量轮的厚度。故可在极高的转速下使用非金属材料制造动量轮。在动量轮靠近中心的较小半径部位，线速度低，可以使用较大的厚度以弥补速度的不足，即把动量轮做成中间厚边缘薄的形状如图3所示。穿甲弹如打在动量轮靠近中心的部位，将因倾斜的弹体穿越较厚的轮体损失更多的动能而无力击穿装甲。
表面光滑的匀质材料制造的动量轮运转时空气阻力很小且易于取得动平衡，动量轮轴1的支承轴承不会受到径向负荷和轴向负荷，即动量轮可以很小的功耗在很高速度上维持旋转。为了耐受穿甲弹打击动量轮时的破坏力，动量轮轴的支承轴承一般用滑动轴承而不用滚动轴承，在径向力很小时，滑动轴承的损耗很小。
动量轮也可以做成辐条形式，适当的辐条间距和轮转速的组合可以使得穿甲弹穿越动量轮时被辐条在侧面“拨转”得到更大的偏转角，但是辐条式动量轮由于辐条旋转搅动气流的阻力较大而需要较大保持功率。
动量轮转速的实际限制，是其处于轮缘的材料因自身质量引起的离心力要在材料强度能够承受的范围，一般在几百每秒米到2000每秒米的线速度范围内，高强度钢和比重轻强度高的尼龙等都是能够承受的。这个速度水平与穿甲弹速度相当，可以给穿甲弹以足够大的偏转偏折角度。
多重动量轮可以逐次以递增幅度加大穿甲弹的偏转角并降低其动能，因此防护更为可靠。且最前面的动量轮被击毁后，后面的几重动量轮可以继续起到防护作用。
实施例2如图3所示，环形电机驱动经滑动轴承11支承在坦克炮管5上的空心轴1带动多重动量轮21、22和23以同向同转速旋转，穿甲弹3穿越最前面动量轮21之后发生1次偏转其姿态如36，损失1次动能，假设仍能穿越第二重动量轮22，由于1次损失动能后水平速度分量降低而第二个动量轮的垂直方向的线速度不变，因此穿甲弹将沿原偏转方向再偏转一个更大的角度，这种偏转叠加的结果形成了更大倾斜姿态如37，由于弹体倾斜加剧所以第二次穿越的动能损失大于第一次的，剩余的动能已经不能支持穿甲弹以37那样的大倾斜姿态穿越第三重动量轮23。即使前面的动量轮21、22在遭到穿甲弹多次准确击中损毁残破而防护效能降低后，后面的动量轮仍然可以前赴后继地继续防护。相邻两个动量轮之间的距离应大于穿甲弹的长度。同转向的多重动量轮的转速可以相同也可以不同，例如后面的动量轮的转速可以比前面的更高以加剧穿甲弹偏转，这种情况下前后动量轮的间距可以小于穿甲弹的长度。
还可以设置爆炸射流垂直动量装置。如图3，炮管5根部套有环形槽钢6向外环形开口，槽内环形装有高能射流炸药61，炮管前端在感应板上装有传感器，当穿甲弹击穿感应板时传感器给出信号到微处理器，2重或多重感应板上的传感器依次在穿甲弹穿越时给出信号，微处理器根据感应板之间的距离和各该传感器给出信号的时间计算出穿甲弹速度和飞临环形炸药外面的时刻，给出正确的起爆信号使穿甲弹飞临环形炸药外面时环形炸药爆炸形成向外的环形射流62，这个极高速射流的方向与穿甲弹38飞行方向基本垂直，在瞬间给穿甲弹以巨大的垂直动量形成瞬间很大的垂直位移，将穿甲弹推到远离坦克装甲的如39的脱靶位置。
这种爆炸射流垂直动量装置可以与动量轮结合使用，即动量轮兼感应板，多重动量轮兼多重感应板依次经传感器给出穿甲弹穿越时的信号到微处理器，微处理器经计算在穿甲弹能够穿越最后一重动量轮且仍然具有很高速度的情形下，在穿甲弹飞临环形炸药外时起爆环形炸药以巨大的垂直动量将穿甲弹横向击飞。环形炸药爆炸向内的环形压力对于环形槽钢和炮管来说是能够抵抗的，因为环形爆炸的压力小于炮管发射炮弹时的膛压，而炮管和环形槽钢的抗压强度又大于抗拉强度。这样结合使用，可以让动量轮防护住一般的炮弹、穿甲弹的多次命中攻击，保留环形炸药并不反应，当动量轮部分损毁而高能穿甲弹穿越了所有动量轮的最后时刻，作为最后一道垂直动量防护手段将该穿甲弹击飞。
不过，计算表明所有现行的穿甲武器都不能穿越3重动量轮且仍具有足够有效的残余动能。爆炸射流装置与多重动量轮结合时，应该是备而不用的。
上述装置于炮管上的垂直动量装置，可以随炮管指向危险方向，成为机动的各向防护装置。也可以在顶部和侧面加装单独的垂直动量防护装置。动量轮可以兼做抛物面雷达天线或可机械转动相控阵雷达天线，雷达工况时用适宜的低转速，防护工况时用高转速。
多重动量轮可以同向旋转，也可以反向旋转，2个反向旋转的动量轮组给穿甲弹以相互反向剪切的两个垂直动量，使穿甲弹穿越时发生急剧的偏转。如图4所示，轴1以转速N驱动动量轮2正向旋转，轴1外套有空心轴13驱动反向动量轮24以N1转速高速反向旋转，两个动量轮的间距小于穿甲弹的长度，构成反向动量轮组，当穿甲弹3以原速度V1穿越动量轮2时受到该处动量轮线速度VL的垂直动量作用发生一次正向偏转，而在穿甲弹头部穿越反向动量轮24时其头部受到该处与VL反向的反向线速度VL1的反向垂直动量作用——与此同时，穿甲弹尾部受到动量轮2的正向垂直动量的作用，相互反向的两个垂直动量同时作用于穿甲弹头部和尾部的巨大剪切作用，使穿甲弹急速偏转，可能横卡在两个动量轮之间，也可能(长杆弹)被剪断，即使仍然能够穿越反向动量轮，大横倾角度穿越使其造成长度很大的破口因此动能受到巨大损失所剩无几，且飞行速度V2的方向大角度偏折，而穿甲弹轴线以更大角度偏转几乎横置，这样几乎横置且低速的穿甲弹将会以弹身横贴姿态击在装甲上，已经没有可能击穿即使很薄的装甲。
这种反向动量轮组可以与其它动量轮构成正反向多重动量轮组，可以获取更好效果。例如在反向动量轮组后面再设一个后动量轮，其转向与反向动量轮组的靠后的那个动量轮(如图4中的24)的转向相同、间距大于穿甲弹长度，使得穿越反向动量轮组后已经大角度偏转的穿甲弹在穿越后动量轮时其轴线在原偏转反向上再叠加进一个偏转角度，使穿甲弹穿越后动量轮的动能损失更大，穿越后的偏转角度更大，形成更为优越的防护效果。
动量轮组的动量轮可以同轴线也可以不同轴线。两个动量轮的轴平行可以覆盖保护较大的区域，当轴距略大于动量轮半径，前后重叠放置，两轮轴向投影重叠的部分形成双重轮区面积最大，适于保护要害部位，此时若两轴转向相同则双重轮区内两轮线速度主要分量相反，两轮间距因此应按反向动量轮组工况设置即间距小于穿甲弹长度，若两轴转向相反则双重轮区两轮线速度主要分量同向，两轮间距应大于穿甲弹长度。
垂直动量系统为装甲车辆提供了优异的防护能力，装甲就可以大大减薄减轻，设计成只要能够耐受低速且大角度偏转后的穿甲弹的“弹身拍击”就可以了。这样，坦克大幅减省下来的装甲重量和体积可以做其它许多事，整车设计应该随之作出较大的调整，例如实施例3共10个动量轮，直径1.6米平均厚度20毫米中心厚边缘薄，匀质钢材质，连同轴(套装在炮管上的是空心轴，如前述)和驱动机构总重约3.2吨，各自被一个小功率环形电动机驱动，作战防护时转速12000转/分，此转速下动量轮边缘材料承受的离心力约为普通碳素钢抗拉强度的1/3，而边缘线速度已接近动能穿甲弹速度，动量轮具有的动量矩与速度1600每秒米质量5公斤长杆弹的动量相比，按照动量定理，动量轮完全可以在短时间内连续击飞现行穿甲弹。坦克炮管上距装甲6米的前端设一个动量轮，其后1米处设1个间距100毫米的反向动量轮组，反向动量轮组前面的动量轮顺时针旋转(迎炮口方向看入，下同)，后面的动量轮反时针旋转，反向动量轮组后1米处再设1个反时针旋转的后动量轮，这个后动量轮后面1米处(距装甲约2.9米处)的炮管上设一个环形的爆炸射流垂直动量装置，这样的设置，炮管最前端的动量轮起到对多重动量轮的保护作用，击飞小动能穿甲弹，引爆破甲弹和炮弹，经受若干次命中而损毁失效后，后面的反向动量轮组起到对高能穿甲弹的主要防护作用，而后动量轮基本处于备用状态，最后的爆炸射流垂直动量装置是最后一道可靠屏障。坦克的顶部设间距400毫米的同轴、轴指向上方且同转向的2个动量轮，这是考虑到攻顶武器较少用长杆弹等特征而设，足以完全防护顶部。坦克的两侧各有1个同轴的反向动量轮组，固定心轴与炮塔一体可向侧向伸缩，反向动量轮组以空心轴套装在固定心轴上因而能够随炮塔一体转动，反向动量轮组最大可伸到距炮塔2米左右以使炮塔全方位回转时不受干涉。
坦克的装甲只需防住子弹和只具残余低动能的大倾斜角姿态的穿甲弹以弹体侧面对装甲的“拍击”，因此可以大幅度减轻减薄，可以减到等效匀质钢厚度60毫米总重约4吨，就已足够。
这样节省下来的空间和重量，使坦克可以装设口径130-155毫米的滑膛炮，备弹100发、自动输弹；1000千瓦内燃机驱动，整车重量在27-35吨范围，可以具有很高的车速；车上有空间加装一系列附加武器和仪器、电子设备，动量轮系统可慢速转动兼做为雷达天线；舱内空间较大可以使乘员舒适；传动系和制动系使用本发明人提出的传动效率高于92％的无级变速器和制动储能驱动系统，以进一步减小体积节省空间、节约燃油提高续航力并省去变速器油的散热系统，制动储能驱动系统可以将装甲车辆减速和制动时车辆的动能经过等效齿轮泵和液气储能器储存起来在下次起步和加速时释放出来经等效齿轮马达驱动车辆，使装甲车辆大幅节约燃油、具有短时间内远大于发动机功率的驱动功率从而获得宝贵的瞬时机动能力，这个巨大的瞬时机动能力可以让坦克在敌方导弹、穿甲弹飞来时作出瞬时机动躲避敌弹的动作，也使车辆获得发动机熄火后的涉水和陷车自救能力，可用轮边减速器的齿轮副兼作制动储能驱动系统的短时等效齿轮泵和等效齿轮马达，紧急制动时履带轮驱动轮边减速器齿轮副构成的短时等效齿轮泵，而这个齿轮泵的出口被封死，由于液体不可压缩使坦克得到比摩擦制动器强大得多的制动力，使坦克被瞬间制动，这样也可以省去摩擦制动器需要的液力和压缩空气助力系统；这样整体构成防护能力、攻击能力和机动能力均达到世界最前列的坦克，特别是以轻型坦克的重量其防护能力却远超过现行任何重型坦克。
坦克的顶部和侧面防护的动量轮可以合并，例如前述以心轴从炮塔伸出的动量轮，其心轴可以旋摆，在顶部受攻击威胁时心轴一动量轮旋摆到顶部，在哪个侧面受攻击威胁时则旋摆到心轴指向可能的攻击来自的方向，这样一组可变换指向的动量轮可以进一步省去其它一些固定方向的动量轮。
同样的原理和结构，动量轮防护系统可以用于薄装甲的装甲车的防护，可以用于自行火炮的防护，可以用于其它军事车辆的防护，可以用于重要的非移动装备如火炮、导弹发射系统和重要工事、指挥部、通讯、弹药燃料库等要害部位的防护；还可以用于舰艇要害部位的防护，要点为(1)动量轮直径较大而转速相应降低，其轴的指向是如上述可以旋摆的，保持指向敌弹来袭的方向，轴并伸出使动量轮与舰艇间有一段距离。反舰导弹和炮弹，在碰触动量轮后就会转折变向或爆炸炸空无法击毁被保护部位的要害部位。
(2)对于潜艇的垂直动量防护，由于一般都能侦测到敌方鱼雷来袭的方向，那么可以向该方向射出(收束成便于发射的形状的)感应板或感应丝，感应板或感应丝用比重轻的材料如薄尼龙板制造并在下端设置的爆炸重物下坠的作用和/或潜艇拖带作用下在水中沿与鱼雷来袭方向垂直的面展开成巨大的面积，当敌方鱼雷碰触感应板(丝)时，传感器起爆绑缚在下面的爆炸重物形成巨大的爆炸冲击波，这个冲击波给予鱼雷以与其行驶方向垂直的巨大动量，炸毁或引爆鱼雷，至少损毁鱼雷的自导装置使之失效。
就像所有新发明构思提出后一样，在此基础上，后续的具体的和进一步的技术研发完善的空间是广阔的。
权利要求
1一种对来袭敌弹施加垂直动量的防护方法，其特征是，向来袭敌弹沿与其原方向垂直的方向施加动量即垂直动量，将其击飞脱靶，使其轴线发生偏转、速度发生偏折，动能被大幅衰减。
2一种对来袭敌弹施加垂直动量的防护装置，包括轴1、动量轮2，其特征是，轴1指向敌弹来袭的方向并驱动动量轮2高速旋转，在穿甲弹3击中和穿越动量轮时，动量轮横切穿甲弹对其施加方向与其原方向垂直的动量即垂直动量，使穿甲弹轴线发生偏转、速度发生偏折，动能被大幅衰减，使破甲弹被触发引爆。
3根据权利要求
2所述的防护装置，其特征是，至少具有2个所述的动量轮，其轴同轴线或交错轴线或平行轴线，同轴线且转向相同时，两个动量轮的间距大于穿甲弹长度，两个动量轮同轴线但转向相反时，间距小于穿甲弹长度。
4根据权利要求
2所述的防护装置，其特征是，所述动量轮用匀质高强度材料制造，外形光滑气动阻力小，中间较厚边缘较薄，支承轴1的轴承为滑动轴承。
5根据权利要求
2所述的防护装置，其特征是，所述动量轮具有辐条。
6根据权利要求
2所述的防护装置，其特征是，所述动量轮的轴1是空心轴经滑动轴承11将动量轮套装支承于坦克炮管5上。
7一种对来袭敌弹施加垂直动量的防护装置，包括设置在前边的感应板、传感器和设置在后面的环形炸药61，还有微处理器，其特征是，在穿甲弹击穿感应板时传感器给出信号到微处理器，微处理器计算并在穿甲弹飞临环形炸药外面时起爆环形炸药施加巨大的垂直动量给穿甲弹，将穿甲弹炸飞使之脱靶。
8根据权利要求
2和权利要求
7所述的防护装置，其特征是，所述动量轮兼作所述感应板，所述环形炸药放在兼作感应板的动量轮后面并有一段距离。
专利摘要
一种对来袭敌弹施加垂直动量的防护方法及其装置，依靠高速旋转的动量轮2在穿甲弹3穿越时横切穿甲弹给予穿甲弹以垂直方向上的动量即垂直动量，使穿甲弹轴线偏转穿越动量轮损失大量动能并使穿甲弹速度方向偏折，使破甲弹被触发，从而起到可靠防护作用，代替厚重的装甲。施加垂直动量的防护装置还可以是被感应板、传感器和微处理器给出正确起爆信号的环形高能射流炸药，在穿甲弹飞临时起爆施加巨大的垂直动量将穿甲弹炸飞使之脱靶。
文档编号F41H7/00GKCN1664488SQ200410006114
公开日2005年9月7日 申请日期2004年3月3日
发明者郑悦 申请人:郑悦导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan