防弹衣硬刚子弹,到底谁更强?

作者:全日高校精英联盟来源:科普中国发布时间:2020-04-17

弹衣,说到防就不得不提“防弹神父”卡西米尔·齐格林

  在很多影视作品经常出现这样的桥段:反派近距离挨了枪击后,却还能爬起来,抖抖身上灰尘,说自己其实穿了防弹衣(其实是防弹背心)。这样的情节可信吗?穿了防弹衣就一定能抵挡子弹的冲击吗?

  防弹衣从诞生至今,一直在更新迭代。从早期的丝绸防弹衣到如今的聚合物防弹衣,阻挡子弹并缓冲动能的初衷并没有任何改变。但防弹衣的防护能力在数十年间却发生了飞跃性的提升,防弹衣的进化史也是一部材料科技的发展史。

  猛虎会细嗅蔷薇,丝绸竟然也能防弹

  弹衣,说到防就不得不提“防弹神父”卡西米尔·齐格林。他提出的“密集编织式防弹衣”概念,直到今天,还是防弹衣设计的方向。

  波兰裔工程师齐格林1869年出生在乌克兰,他的早年经历充满曲折。齐格林18岁时成为了一名神职人员,3年后,他前往美国,继续从事宗教活动。在他宗教事业的巅峰期,齐格林担任芝加哥一所波兰裔天主教堂的神父一职,辖区教众达到4万人之多,这也是当时全美最大的波兰裔教堂。

  1893年,发生了一件改变齐格林一生命运的大事——芝加哥市长卡特?哈里森遭遇刺杀身亡。从此,齐格林立志要开发出“可以守护世人的神圣装备”——既轻便又可以阻挡手枪子弹的新型防弹衣。

  在实验了一系列材料,包括棉布、钢制刨花以及头发后,他最终决定使用丝绸作为突破口。

  丝绸给我们的印象恐怕大多是薄似蝉翼、温润如玉的质感,不过,丝绸的纤维实际上具有极高的强度,丝绸织物弹性极好,受到瞬间形变作用时也比其它天然纤维织物更加坚韧。接下来的问题是如何把丝绸纤维组合为有机的整体。为了寻找合适的编织方式,齐格林远渡重洋,最终在奥地利维也纳和德国亚琛的丝织工厂开发出了符合预期的丝绸织物。

  齐格林的防弹材料是一种四层厚的丝绸织物,厚约3毫米(另有一说称其中内嵌了1.6毫米厚的钢板),重量大约是每0.1平方米250克。经过复杂的编织后,这种材料变得异常的厚实绵密,可以在相当近的距离内成功阻挡当时的手枪子弹。

  实验获得成功后,齐格林在全美各地多次现场演示其新型防弹衣的威力,一时间蜚声全美甚至整个西方世界。

  

  齐格林当众演示防弹衣的防护效果,来源:公有领域

  满怀雄心壮志的齐格林辞去了教会的工作,全身心投入到新型防弹衣的研发和推广中。不过,他之后的创业之路却布满艰辛。

  最初,美军希望能够引进他的技术,结果却发现丝绸防弹衣最大的问题是成本。按照齐格林的编织方式,每件防弹衣都要消耗大量的丝绸,初期产品的单价达到了800美元(约相当于如今的9万人民币),这对于财大气粗的美军来说也是无法大量装备的。于是,齐格林想到了直接向当时的美国总统——威廉·麦金莱寻求帮助。

  几经辗转,白宫终于同意安排他和总统见面。但由于此时麦金莱总统正在进行为期六周的全国巡回演讲系列活动,齐格林只能暂时等待。悲剧在两周后发生了,1901年9月6日,麦金莱总统在布法罗泛美博览会现场遭遇了刺杀,凶手近距离向他腹部连开两枪,导致总统入院急救,并在随后的9月13日伤重不治。实际上,凶手所用的左轮手枪威力相当小,如果总统当时身着齐格林的防弹衣,可能就会逃过一劫了。

  总统的意外遇刺让齐格林获得政府高层援助的希望就此破灭。随后的十余年时间,齐格林和他的合作伙伴不断向西方世界的达官贵人推销自己的产品,其中就包括奥匈帝国皇储斐迪南大公。然而,命运的捉弄让齐格林又一次遭遇了重大挫败。

  1914年6月28日,身着齐格林防弹衣的斐迪南大公在萨拉热窝遇刺(还有说法称,虽然大公拥有同款防弹衣,但事发当时并未穿在身上),凶手并没有攻击防弹衣被覆的部位,而是直接向大公脖颈处开枪,最终导致大公夫妇当场双双身亡。后来的剧本大家可能都清楚,斐迪南大公遇刺事件直接导致了第一次世界大战的爆发。

  

萨拉热窝事件想象图及事发地拉丁桥,来源:公有领域

  对于齐格林来说,一次潜在的成名机会就这样变成了后世茶余饭后的谈资。齐格林的生命晚期很可能十分穷困潦倒,以至于他确切的死亡年份都存在多个说法。

  不过,齐格林作为现代防弹衣技术的奠基人之一,还是在历史上留下了自己的名字。回顾他略显的失败的创业经历,除了运气属实差点意思之外,丝绸防弹衣本身的产品力也的确存在问题,过高的成本使其注定无法得到推广。

  钢铁对钢铁,金属防弹衣昙花一现

  一战爆发后,为了降低前线战损,各国都尝试了不同方案的防弹衣。但受困于当时的材料技术水平,这类防弹衣基本全部以金属为主。它们与古代连体铠甲相比几无创新之处,完全可以用“傻大黑粗”四个字来形容。

  为了能在一定距离外抵御步枪乃至机枪子弹,它们的重量多在10千克甚至30千克以上,穿着人员活动能力极大受限。当时的战场上,几乎只有机枪手、医护兵、飞行员一类不需要过多机动行为的人才会使用。

  二战中,材料技术的发展让防弹衣的重量大为减轻,一些经过特殊工艺处理的钢种仅需2mm厚度就可以起到相当的防弹作用。在相同防护强度下,二战时的金属防弹衣仅有不到一战时同类的三分之一重。然而,4千克以上的重量对于强调机动能力的野战兵种来说还是太重了,实现防弹衣的轻量化和高性能化迫在眉睫。

  

左:一战中德军的单兵护甲(龙虾甲)右:二战中苏军的SN-42单兵护甲,来源:公有领域

  当时的人们虽然清楚地知道类似于齐格林方案的密集编织式防弹衣才是未来的发展方向,但无论是丝绸、棉布还是二战后开始兴起的尼龙防弹材料,都无法在与同时代枪械的较量中占得上风。毕竟在盾升级迭代的同时,矛也在日益精进。

  二战后期,新型枪支普遍通过采用更高效的推进药,更加多变的弹头、弹体材质,更现代化的弹道控制技术等手段增强弹药的威力。防弹衣在这场“矛盾攻防”中节节败退,这种情形直到60年代末“凯夫拉”的横空出世才得以逆转。

  凯夫拉横空出世,实用化轻便防弹衣走上前台

  凯夫拉是一种人工合成的纤维,学名叫做“聚对苯二甲酰对苯二胺”,俗名芳纶,最早由美国杜邦公司于1965年开发成功。

  凯夫拉的抗拉强度是同等质量钢的五倍左右,理论上只需要几分之一的重量就能达到钢板类似的防护性能。凯夫拉强韧的性能与它的结构密不可分,聚合物单体间首先形成不断重复的直链构造,链与链之间又通过氢键力形成有效连接,从而进一步加强整体结构的力学特性。

  当遭遇弹头攻击时,数层密织的凯夫拉织物可以令弹头在前进时动能急剧衰减。弹头通常会嵌入防弹层内部,同时弹头冲击带来的能量也会通过纤维和织物的网络被迅速分散。金属制防弹衣存在的弹头散射造成二次伤害的问题得到了很好的抑制。

  此外,它还具有难燃性和自灭火特性。凯夫拉受热时不会像很多高分子聚合物一般熔融,而是直接碳化,在烈火纷飞的战场上也不会因为防护衣的融化而造成额外的烧伤。作为一种化学纤维,凯夫拉价格相对低廉且易于加工,人们终于找到了一种适用于防弹衣的理想材料。

  

凯夫拉分子式和凯夫拉纤维实物图,作者:cjp42

  不过,凯夫拉的出现虽然为防弹衣一方扳回一城,但它也绝非十全十美。凯夫拉对水非常敏感,浸水后强度极大衰减,因此在实战中不能穿着凯夫拉防弹衣涉水。后期虽然开发了一系列防水处理工艺,让其可以应对中等降雨一类情况,但随之而来的后果是透气性被完全牺牲,穿着舒适度相当差。此外,凯夫拉对紫外线也较为敏感,这大大限制了它们的使用寿命,凯夫拉防弹衣的有效使用年限往往在3-5年左右。

  在凯夫拉崭露头角的同时,人们陆续开发了一系列高分子聚合物人造纤维。这其中包括与凯夫拉结构类似的特瓦伦,以及以迪尼玛和Spectra为代表的超高分子量聚乙烯(UHPE)等。普通聚乙烯的分子量只有数十万,而UHPE的分子量却可以达到接近一千万。UHPE材质的抗冲击性和耐磨性超过凯夫拉,不会发生吸水劣化,且可以浮于水表面。但缺点是, 135度左右环境中,UHPE材质会发生融化。

  

  UHPE结构示意图以及用UHPE制作的雪上摩托用滑板,来源:公有领域

  各种高分子聚合物纤维的登场为防弹衣材料的选择增添了不少灵活性。到上世纪末,以凯夫拉作为代表材质的聚合物防弹衣已经可以在较近距离上抵御大多数现代手枪子弹的连续射击(前提是着弹点需要有一定间距)。而且,与笨重的前辈们相比,聚合物防弹衣在轻便性和舒适性上有了革命性的提升。

  后凯夫拉时代如何挖掘防弹材料潜能

  然而,防弹衣的技术升级却还远不到鸣金收兵的时候。首先,单纯依靠凯夫拉一类聚合物仍然不能在较近距离有效抵挡步枪子弹。与手枪子弹相比,步枪弹更长,装药量更多,初速和动能更大。同时借助于长枪管带来的弹道稳定性,弹头可以加工成更加尖利的形状,极大地增加了侵彻性能。

  另外,上世纪8、90年代,受苏联大规模向中东地区出口军械以及苏联解体后东欧动荡的影响,一些装药量较大的俄制手枪弹种和相应的手枪枪支逐步流入世界各地的犯罪分子手中。这类手枪子弹威力极大,可以轻松贯通各国警方普遍装备的轻型防弹衣。美国俚语甚至直接将这种子弹称为“条子杀手(Cop Killer)”。

  于是,90年代开始,西方各国都推出了防御力更强的新一代防弹衣。这些产品大多通过在传统聚合物防弹衣外层再布置硬质保护板的方式来增强防护能力。这类硬质保护板的材料多为陶瓷、金属和高压热成型聚合物等,具有非常高的抗侵彻性。

  

  美国海军陆战队队员展示遭到击中的防弹衣背部保护板(未贯通),来源:公有领域

  陶瓷保护板不仅比金属更轻,还拥有更高的硬度,这令它们在与弹头发生碰撞时可以让弹头发生更加强烈的形变从而降低其动能。但陶瓷存在先天的脆性,一旦遭遇霰弹枪一类多着弹点武器的攻击,很可能会因为应力集中而发生瞬间碎裂。

  金属保护板以钢、钛合金乃至高强度铝合金为主。其优势在于金属天然的高塑性可以避免类似陶瓷的脆裂发生,还赋予了它们更高的连续抗冲击能力。不过由于硬度与陶瓷比相对较低,抵抗贯穿的能力有限。另外,对于金属而言,跳弹和破片是必须注意的问题,因此金属护板表面往往有一层织物来防止弹头飞溅。

  

  身着防弹衣的美军军犬,来源:公有领域

  聚合物护板大体可以分为热压成型式和纤维编织式。具有轻便、能量吸收性好、塑型容易以及比强度高等优点。虽然防护板牺牲了一定的机动性,但却让防弹衣拥有了能够抵抗一部分步枪穿甲弹近距离射击的能力。这已经是目前防弹衣防护能力的上限了。

  

  NIJ规格

  未来的防弹衣又会长什么样?

  未来的防弹衣将由什么样的材料来制造呢?目前,不少的新技术新材料,如蛛丝纤维,石墨烯,剪切流变材料等都在实验室暂露头角。考虑到成本和综合性能等因素,高分子化学纤维仍然是如今防弹材料等首选。毕竟上述材料可能在比强度,局部吸能特性等方面有突出的实验数值,但实现大规模生产尚有很长一段路要走。

  考虑到单纯加大弹药容量和枪支大小的做法会损害枪支机动能力,实用性不大,子弹威力的增强也差不多走到了瓶颈。如今,防弹衣和子弹的对决似乎暂时平分秋色,在选定的测试条件下,防弹衣已经能够很好的抵御相应级别子弹的攻击。

  

  军用防弹衣(左)和警用防弹背心(右),来源:公有领域

  不过,人类科技水平的发展永无止境,下一代的便携式高动能武器,激光武器很可能让如今的防弹衣技术退回到原始社会水平,届时的防弹衣技术又将如何升级?

  矛盾对决仍将继续。不过,我们最希望的,还是一个这些防护都用不上的世界。

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