為了達(dá)成美軍的長(zhǎng)遠(yuǎn)戰(zhàn)略目標(biāo)，在新型耐蝕輕質(zhì)材料的使用和研發(fā)上，美軍制定了明確的短期、中期和長(zhǎng)期目標(biāo)。并制訂了明確的技術(shù)要求和規(guī)范。

 

    文/ 知止 編譯

 

    現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)是信息比拼、材料比拼的戰(zhàn)爭(zhēng)。快速、精準(zhǔn)、低傷亡是現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的特征。雖然在戰(zhàn)爭(zhēng)中，空軍和海軍的作用越來(lái)越大，但最終還要靠地面部隊(duì)來(lái)結(jié)束戰(zhàn)爭(zhēng)，維護(hù)戰(zhàn)爭(zhēng)成果。在這之中，對(duì)軍事車輛的性能提出了更高要求。本文編譯自多個(gè)國(guó)外相關(guān)資料，特別以美軍新材料在軍事車輛上的應(yīng)用策略以及構(gòu)思為主，供國(guó)內(nèi)同行參考。

 

    美軍現(xiàn)役保持著大約25萬(wàn)輛輕型、中型和重型卡車，以及11萬(wàn)輛拖車，這些車輛維系著美軍的整個(gè)物流系統(tǒng)。隨著戰(zhàn)爭(zhēng)模式的改變，這些車輛的性能必須滿足美軍未來(lái)的作戰(zhàn)構(gòu)想以及戰(zhàn)略目標(biāo)，滿足特定的軍事需求。這些需求包括快速部署， 運(yùn)輸和機(jī)動(dòng)性。這就要求美軍車輛要具備更低的能耗，消減車輛自重，更高的耐蝕性能，提升免維護(hù)性能。

 

    增加燃料效能就需要采用更輕質(zhì)的材料，而不是傳統(tǒng)的鋼鐵。一般情況下（非戰(zhàn)時(shí)），每加侖燃料的運(yùn)輸成本是13美元，但是在戰(zhàn)區(qū)，由于沒有建立起輸油管線、道路或其他基礎(chǔ)設(shè)施，每加侖燃料的輸送成本高達(dá)100至400美元。這意味著，如果降低軍事車輛的能耗，可以大幅圖降低戰(zhàn)爭(zhēng)成本，增加戰(zhàn)爭(zhēng)的勝率，更高效地保障后勤補(bǔ)給。換句話說(shuō)，軍事車輛對(duì)能耗的要求比民用車輛的要求更加嚴(yán)格和關(guān)鍵，從而消減車輛自重成為一個(gè)重要課題。

 

    新型輕質(zhì)材料主要考慮在車輛的以下的幾個(gè)主要方面進(jìn)行應(yīng)用：首先，是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、懸掛系統(tǒng)已經(jīng)承重車身；其次是那些結(jié)構(gòu)化的部件，用于運(yùn)輸人員或貨物的拖車等。美軍的研究人員試圖通過更加結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)來(lái)保障車輛部件使用的通用性，以消減維護(hù)成本和需要運(yùn)輸?shù)膫浼?shù)量。

 

    為了達(dá)成美軍的長(zhǎng)遠(yuǎn)戰(zhàn)略目標(biāo)，在新型耐蝕輕質(zhì)材料的使用和研發(fā)上，美軍制定了明確的短期、中期和長(zhǎng)期目標(biāo)。并制訂了明確的技術(shù)要求和規(guī)范。

 

    當(dāng)然，新型材料在軍事車輛上的使用，將面臨一系列問題需要認(rèn)真對(duì)待：車輛的組裝、維護(hù)和報(bào)廢，都會(huì)與傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)車輛不同。組裝新型結(jié)構(gòu)的軍事車輛或者對(duì)既有車輛進(jìn)行改裝，需要確保在不同部件之間保障電絕緣性，而這些部件的制造材料是不同的。新型車輛的檢查、維護(hù)和修理過程也比傳統(tǒng)軍事車輛復(fù)雜得多；而報(bào)廢車輛的回收也面臨著一些新挑戰(zhàn)。

 

    由于輕質(zhì)材料的選擇范圍相對(duì)傳統(tǒng)鋼鐵材料來(lái)得大，不同材質(zhì)的車輛部件給車輛的維修、部件置換帶來(lái)新問題，情況會(huì)比以前復(fù)雜得多。例如，復(fù)合材料現(xiàn)在已經(jīng)在美軍車輛中得到應(yīng)用，其維修程序與傳統(tǒng)金屬材料顯著不同，車輛的維修技師需要進(jìn)行新的培訓(xùn)，特別是要對(duì)材料性能上進(jìn)行培訓(xùn)。事實(shí)上，美軍車輛維護(hù)手冊(cè)需要不停地進(jìn)行更新，以滿足新材料應(yīng)用。

 

    在新型輕質(zhì)材料在軍事車輛的使用上還有一些其他壁壘需要克服，包括得到組織化的認(rèn)知、如何降低單件產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期以及如何應(yīng)對(duì)低產(chǎn)量而形成的高生產(chǎn)成本等。但毫無(wú)疑問的，采用新材料、新工藝已經(jīng)在美軍高層達(dá)成共識(shí)。不僅在材料上，而且在能源供應(yīng)上，美軍也不斷進(jìn)行革新，力圖將燃料電池等新技術(shù)應(yīng)用到軍事車輛上。

 

    美軍有個(gè)“軍事后勤革新”（RML： Revolution in Military Logistics）計(jì)劃，該計(jì)劃要求美軍車輛在未來(lái)要降低75%的燃油消耗，這就迫使他們必須在新型材料上有更加積極的選擇。但新型輕質(zhì)材料的選擇極大地增加了車輛采購(gòu)成本，盡管這些車輛在生命周期中的維護(hù)成本降低，耐蝕性能極大提高，燃油效能也極大提升。因此，任何大的變革都需要極大的決斷力、深遠(yuǎn)的思考以及更加全局性的戰(zhàn)略企劃。但無(wú)論從哪個(gè)方面講，美軍都走到了世界前列。

 

    后期維護(hù)成本的降低以及能耗的降低能否抵消初期的采購(gòu)成本是一個(gè)問題， 但關(guān)鍵的問題是：誰(shuí)能贏得未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)的勝利。顯然，新材料戰(zhàn)場(chǎng)在戰(zhàn)場(chǎng)的機(jī)動(dòng)性更高、對(duì)后勤的要求更低，從地面戰(zhàn)爭(zhēng)的硬件上，美軍已經(jīng)跑到了世界的前面。

 

    美軍在未來(lái)戰(zhàn)車上給出了明確的技術(shù)要求，包括對(duì)整個(gè)后勤保障的規(guī)模、車輛使用年限，車輛自重，維護(hù)成本，燃油消耗，生命周期管理等等。雖然很多數(shù)字還不被外人所知，但這種精確化的要求無(wú)疑是科學(xué)和明智的。

 

    一般來(lái)說(shuō)，現(xiàn)役軍事車輛都超出了它的經(jīng)濟(jì)使用期限，其結(jié)果是增加了運(yùn)維和支持成本，并降低了可維護(hù)性。這里存在一個(gè)效能比的問題。目前美軍整個(gè)輪式車輛的這個(gè)效能比是0.63。而如果采用新型輕質(zhì)材料，這個(gè)效能比可以提高至1。也就是說(shuō)，8輛目前的軍事車輛所干的活只相當(dāng)于未來(lái)5輛車輛干的活。此外，目前美軍輪式車輛的年運(yùn)維成本（O&M）高達(dá)15億美元，也就是說(shuō)每輛車每年需要6000美元， 這個(gè)成本每年還以3000萬(wàn)美元的速度遞增，而美軍的車輛總規(guī)模實(shí)際在消減，大約從此前的25萬(wàn)輛消減到22萬(wàn)輛。

 

    腐蝕部件修理成本呈現(xiàn)出越來(lái)越高的態(tài)勢(shì)。由于腐蝕問題，軍事車輛的經(jīng)濟(jì)使用期限一般在13年至16年。超過這個(gè)年限，車輛的使用效率就會(huì)大幅降低。

 

    消減車輛自重是關(guān)鍵

 

    美軍80%的車輛屬于這三個(gè)等級(jí)： 2B級(jí)，即8500～10000磅；6級(jí)，即19501 至26000磅；和8級(jí)，即33001磅以上。大約10萬(wàn)輛美軍車輛屬于高機(jī)動(dòng)性輪式戰(zhàn)場(chǎng)（HMMWV），即大家熟知的所謂悍馬（Humvees）戰(zhàn)車。另外10萬(wàn)輛屬于中型車輛，載荷能力在2.5噸到5噸之間， 即6級(jí)以下。還有2萬(wàn)輛屬于重型車輛， 低于8級(jí)，其中包括越野卡車和特殊用途的車輛，例如托盤化裝載系統(tǒng)（PLS： Palletized Loading System），重型增程機(jī)動(dòng)戰(zhàn)術(shù)卡車（HEMTT: Heavy Expanded Mobility Tactical Truck），70噸載荷的重型裝備運(yùn)輸系統(tǒng)（HETS：Heavy Equipment Transporter System），以及三個(gè)型號(hào)的拖車。11萬(wàn)輛拖車包括貨運(yùn)拖車、平板拖車、低架載重車、供彈拖車、廂式拖車、油罐車和特殊用途拖車。

 

    一輛美軍車輛平均每年要跑2000-3000 英里，其中80%是在公用路面上，余下時(shí)間在戰(zhàn)區(qū)或野外。美國(guó)陸軍坦克及機(jī)動(dòng)車輛司令部（TACOM）對(duì)這些車輛進(jìn)行整體性負(fù)責(zé)。

 

    目前，美軍70%的燃油通過船舶輸送到戰(zhàn)區(qū)；一個(gè)機(jī)械化師每天要消耗60萬(wàn)加侖的燃油，而一個(gè)攻擊型空軍師每天要消耗30萬(wàn)加侖的燃油，這是美軍燃油消耗的大戶。美軍燃油的采購(gòu)成本每加侖只有1.01美元，在非戰(zhàn)時(shí)的最后應(yīng)用成本為每加侖13美元，戰(zhàn)時(shí)則增加至每加侖100-400 美元。美軍軍事研究機(jī)構(gòu)認(rèn)為，采用輕型材料，至少可以降低燃油消耗50%以上， 這意味著一旦大型戰(zhàn)爭(zhēng)打起來(lái)，輕質(zhì)戰(zhàn)車可以保障美國(guó)經(jīng)濟(jì)不會(huì)被拖垮。

 

    一個(gè)輕型步兵師有11520名作戰(zhàn)隊(duì)員， 總載荷量為18122噸，這包括士兵的體重、個(gè)人裝備重量，以及1天的彈藥量，5天的食物，帳篷等材料以及個(gè)人用品，用于15 天的燃油、藥品和配件等。如此“輕型” 部隊(duì)就需要3841臺(tái)車輛以及83架飛機(jī)。為了運(yùn)輸這些部隊(duì)，需要?jiǎng)佑肅-141運(yùn)輸機(jī)816架次，或者C-17運(yùn)輸機(jī)61架次。

 

    與此相對(duì)比的是，一個(gè)重型裝甲師， 總載荷高達(dá)102052噸，包括17186名作戰(zhàn)人員、8125臺(tái)車輛。運(yùn)輸如此龐大的部隊(duì)需要C-130運(yùn)輸機(jī)這樣的龐然大物。

 

    如此“沉重”的現(xiàn)代化部隊(duì)再不同于以前“小米加步槍”的時(shí)代。而如何降低如此多軍事車輛的自重也成了軍隊(duì)后勤保障的關(guān)鍵。美軍認(rèn)為，通過新型材料的使用，消減整體作戰(zhàn)載荷10%-20%是可能的。而由于作戰(zhàn)車輛自重降低而帶來(lái)能源消耗的降低，還可以整體降低軍事運(yùn)輸載荷的30-50%。這是一個(gè)非常可觀的數(shù)字。它意味著在同樣作戰(zhàn)能力下，采用輕質(zhì)材料車輛的部隊(duì)比傳統(tǒng)的“鋼鐵”部隊(duì)至少提高機(jī)動(dòng)性30%以上。對(duì)于戰(zhàn)爭(zhēng)來(lái)說(shuō)，這足以致勝。

 

    新材料和新工藝的機(jī)會(huì)

 

    為了滿足軍事車輛消減自重的需求， 從車身到部件都有廣泛的新材料可以選擇。但在這之前，是需要一個(gè)新的設(shè)計(jì)流程。因?yàn)檫@些新材料的物理性能以及可加工性畢竟與鋼鐵材料不同，因此對(duì)這些材料進(jìn)行合理設(shè)計(jì)以及充分實(shí)驗(yàn)是保障能否應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。這并非本文的重點(diǎn)，但需要提及。美國(guó)軍事車輛在設(shè)計(jì)方面不僅有軍事研究單位的參與，更有傳統(tǒng)軍工企業(yè)的大力貢獻(xiàn)。在中國(guó)，非軍事企業(yè)參與設(shè)計(jì)也是非常關(guān)鍵的。

 

    顯然，在設(shè)計(jì)過程中要考慮材料成型以及制造成本問題。不考慮成本的軍事策略一定會(huì)把本國(guó)經(jīng)濟(jì)拖垮，前蘇聯(lián)的垮臺(tái)是很好的反例。

 

    由于軍事車輛，特別是特殊軍事車輛的產(chǎn)量不高，因此必須采用一些新工藝來(lái)解決低產(chǎn)量帶來(lái)的成本壓力。這些新技術(shù)包括：

 

    超塑性成型，特別適合于某些商用超塑性合金，如5083；

 

    熱固性高分子復(fù)合材料的壓縮成型；

 

    薄片部件的橡皮囊液壓成型（Rubber-pad hydroforming ）；

 

    管件液壓成型；

 

    管件和薄板的電磁成型工藝；

 

    管件和薄板的爆破成型工藝；

 

    薄壁精密鑄造；

 

    用于熱固性高分子復(fù)合材料的其他快捷成型方式；

 

    接口和焊接技術(shù)。

 

    在軍事車輛上，置換鋼鐵最重要的備選材料是鋁鎂合金。商用飛機(jī)制造商對(duì)此輕車熟路，因?yàn)榈湫偷纳逃蔑w機(jī)上70-75% 是鋁。鋁鎂合金取代鋼鐵的問題也是明顯的，一是成本比較高，二就是如何禁得住炮火的打擊。

 

    除了鋁鎂合金，高強(qiáng)度鋼也是用于消減軍事車輛自重的有力材料，有資料表明，采用高強(qiáng)度鋼的車輛比一般設(shè)計(jì)的車輛自重可以降低20%作用。超輕型鋼質(zhì)汽車車身（ULSAB）可以達(dá)到350-420MPa 的強(qiáng)度，而一般鋼材只有140MPa。在美國(guó)， 回磷鋼材和固態(tài)加強(qiáng)無(wú)空隙鋼（solution-strengthened interstitial-free steels）、雙相鋼（dual-phase steel）、相變誘發(fā)塑性鋼（TRIPS）也在研究之中。

 

    日本NKK公司開發(fā)了一種用于汽車的薄板鋼材，拉伸強(qiáng)度高達(dá)780 -980 MPa， 并具備高可成型性。該公司名為“Nano Hiten”的新鋼材，基于nano-obstacle技術(shù)， 其強(qiáng)度比傳統(tǒng)強(qiáng)度高10倍。Nakayama鋼鐵公司推出一種細(xì)晶粒鋼，其鐵素體顆粒只有2到5個(gè)微米大小，而傳統(tǒng)鋼材的鐵素體顆粒大小為10-20微米，這種鋼材的拉伸強(qiáng)度可以達(dá)到500-600 MPa。

 

    在提升傳統(tǒng)碳鋼耐蝕性能上，有一系列方法，例如鍍鋅。在軍事車輛上，常用的稱為化學(xué)耐蝕涂層（chemical-agent-resistant coatings）。但無(wú)論怎樣，在嚴(yán)酷環(huán)境下，鋼鐵材料還是沒有其他輕質(zhì)材料更加耐蝕。換句話說(shuō)，從耐蝕性上，軍事車輛選擇其他輕質(zhì)材料似乎是沒有選擇的選擇。

 

    鋁合金 2519 （Al-Cu-Mg） 是一種高性能合金，可以很好地滿足軍事車輛在強(qiáng)度和重量上的需求，它是美國(guó)鋁業(yè)公司和美軍聯(lián)合開發(fā)的材料，其抗彈道穿透性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過鋁鎂5000系列合金，這種合金也被考慮應(yīng)用到海軍兩棲戰(zhàn)車上。