復合材料在軍用舟橋裝備中的應用

    戰時為了保障部隊及兵器的高速機動,維持前線和后方的交通暢通,保證軍事物資的順利補給,舟橋裝備對戰爭有決定性的作用。浮橋結合、架設迅速,便于撤收和隨軍轉移。它受河流深度、河床地形和土壤性質等地理特征的影響小,具有固定橋腳橋梁無法比擬的優點。按照戰術要求,還可以靈活地使用橋腳舟拼組成門橋實施渡河。它適用于寬大江河和復雜的水文環境[1]?,F代戰爭對軍用舟橋有很高的技術要求:①具有足夠的承載能力?,F代武器裝備,尤其是坦克和自行火炮等主戰兵器,重量都日益增加。戰場物資消耗量大,補給物資的運輸任務極其繁重。②快速架橋。部隊的快速前進往往是爭分奪秒,因此要求結構簡單,技術難度低,以簡化作業過程。③機動性好。關鍵在于減輕舟橋器材的自重,這往往與承載能力的要求相矛盾。④有足夠的抗毀傷能力。戰場環境惡劣,所用材料對火燒及震動應有抵抗力,橋腳舟具有良好的抗沉性,結構能經受局部破壞。
2  舟橋裝備適用復合材料
    我軍的舟橋裝備,包括帶式舟橋、橋腳分置式舟橋以及輕型渡河器材(沖鋒舟和汽艇等),幾乎全部采用鋼材。鋼材的優點在于強度高,塑性和韌性好,彈性模量高,各向受力均勻,性能可靠,設計計算理論成熟。在舟橋裝備的使用中,鋼材也暴露出許多突出的缺點。比如重量大,嚴重影響裝備的機動性能和戰場架設速度,耐腐蝕性差,維修保養費用高等。復合材料在舟橋裝備中的應用已開始起步。其主要憂點是比強度高,可在保證承載能力的前提下降低裝備自重,運輸架設輕便,因而有利于提高機動性能和架設速度等技術指標。它的可設計性好,能夠按照結構的受力要求,通過選擇組分和結構選型實現優化設計,滿足軍事裝備的苛刻要求。戰時軍用浮橋通載頻繁,工況復雜,隨時可能遭受爆炸產生的沖擊破壞作用。纖維增強復合材料可吸收一定的沖擊能量,減震性能和疲勞強度好[2]。另一突出優點是耐腐蝕,可適應惡劣的上作環境.在化工建筑和永久性地下(水下)工程中表現優秀[3]。舟橋裝備使用復合材料能大大增強抗腐蝕性能,簡化維修保養,延長使用壽命,在全壽命期內具有較好的經濟性。
    由此可見,復合材料在舟橋裝備中的應用乃大勢所趨。縱觀現有研究工作,在適用于舟橋裝備的復合材料中討論多的有兩種,玻璃鋼和泡沫塑料。玻璃鋼用做結構材料;泡沫塑料用做飄浮材料,以提供浮力。
2.1  玻璃鋼
    玻璃鋼在軍事工業上應用十分廣泛,已經成功用于制造飛機和導彈上的受力結構件。實際上,在二戰期間發明玻璃鋼后,早的應用就是軍事工業。全玻璃鋼的偵察艇、登陸艇、掃雷艇早已經問世,并已造出1000t級的玻璃鋼艦艇。1982年,北京密云縣建成一座玻璃鋼蜂窩箱粱公路橋,跨徑20.7m,寬9.2m,載重80t左右[5]。玻璃鋼在造船和橋梁方面的應用是玻璃鋼適用于舟橋裝備的有利佐證.并可為其提供設計參考。玻璃鋼的主要缺點在于抗沖擊性能不足,在潮濕環境中易產生老化,必須采取一定的表面防護措施,才能應用于舟橋裝備。目前普遍采用有機復合涂層。研究表明,表面防護層能較大增強復合材料的耐環境老化能力和抵抗外力對表面的劃傷。軍用裝備特別關注玻璃鋼的防火性能,建筑工業有類似的要求[6],這一難點已基本解決。玻璃鋼的工藝方法成熟,成型簡單方便,易實現機械化和自動化生產,制造成本低,生產周期短。
2.2  泡沫塑料
    以聚氨酯為代表的泡沫塑料,密度小,能提供大的漂浮力,是理想的漂浮材料。它們的比強度高,生產工藝成熱,發泡方法簡單實用,成型方便,廣泛使用于漂浮、救生和打撈裝置。美軍曾用泡沫塑料制成靶船,可供射手連續射擊而不沉沒。聚氨酯泡沫塑料的化學穩定性好,能耐多種有機溶劑,若帶有致密的保護表皮層,則對復雜環境的適應性更強。實踐證明,其性能經得住較長時間的考驗。此外,泡沫塑料制品的適應性強,可通過改變原料和調整配方得到不同特性的產品,經濟性能優良[3]。
    泡沫塑料的力學性能與泡孔特性有密切關系。漂浮器材使用的泡沫塑料均為閉孔結構,泡孔具有單胞性。每個泡孔都是一個獨立的漂浮元件,刺破或打穿時對整體的漂浮性能影響甚微。漂浮用泡沫塑料的密度較小,而表面強度往往偏低。這一缺陷有兩種解決方法:①在材料表面覆蓋一層玻璃纖維增強樹脂;②利用特殊發泡工藝在高強度蒙皮中整體成型。兩種方法的增強效果都很好。泡沫塑料的另一重要指標是阻燃性能,對于軍事裝備尤為重要。它應具有不易著火,火焰傳播性小,發煙量少,燃燒時生成的有害氣體少等特性。硬質聚氨酯泡沫塑料在加入阻燃劑后,可較好的滿足阻燃性要求。
3  應用實例
    (1)網架實心舟。目前軍用舟橋器材的橋腳舟均為鋼結構形式,因自重受到嚴格限制,大多數制式單舟內部未設水密隔艙。當結構受到局部破壞時,鋼結構空心舟體的抗沉性能很差,難以滿足戰時裝備抗毀傷能力要求。鋼結構舟體的使用壽命因腐蝕問題受到嚴重影響,除銹防腐的保養工作耗費大量的人力物力。考慮到復合材料的諸多優點,若用輕質復合材料制成實心舟體,則可在相當程度上改進其使用性能。網架作為新型受力結構在承載時內力分布更為合理。其分析理論和設計制造方法日臻成熟。隨著化學工業的發展,泡沫塑料的密度、強度、阻燃和耐老化等性能已具備用于制作承重橋腳舟的條件。因此,可以采用以復合材料管材網架作為受力結構,并在內部填充發泡材料作為軍用舟橋器材的舟體(簡稱網架實心舟) [4]。網架實心舟的承載能力與相同尺寸的鋼結構橋腳舟大致相當,對現有舟橋裝備配套器材基本無需改動,卻具有鋼質空心舟無法比擬的抗沉性能和耐腐蝕性能,而且自重較輕,使用壽命更長。與鋼舟相比,網架實心舟的制作無需復雜的工藝流程,生產方法簡單高效。遵循“平戰結合”的思想,可以在平時儲存制作網架實心舟所需的桿件和球節點,戰時再快速組裝生產。如此即可節約橋腳舟的貯存場地和費用,免去平時的保養維護工作,延長裝備的使用壽命。
    (2)門橋增浮材料。門橋是武器裝備渡河的主要方式之一。由于大量主戰兵器的噸位顯著增加,
部分級別的制式門橋噸位偏低,因此迫切需要研制出相應器材,能在不改變門橋原有結構、不影響原有操作的前提下快速提高門橋的承載力并適當提高其抗沉性。用泡沫塑料制成浮塊單元,作為增浮器材通過適當方式加掛于門橋橋腳舟舷外,即可達到提高門橋承載力的目的。增浮器材的應用方便靈活,無需對現有的舟體做任何改動,也不影響拼組和結合漕渡門橋的其他操作,而且較好地滿足了浮性、穩性和拖航性等方面的要求。泡沫塑料浮塊上的連接結構適用于浮塊之間的相互連接,因此可根據需要將浮塊單獨拼組為渡人浮筏、輕型浮橋和渡送輕型車輛的浮筏,達到了一物多用的目的[7]。泡沫塑料價格低廉,生產工藝成熟,提高舟橋裝備承載力的效果顯著,免去了研制新型裝備的繁瑣過程和巨額費用,體現了復合材料優良的經濟性能。   
   (3)軍用船艇。玻璃鋼船體自重輕,可增加有效裝載,減少阻力,增加航速,節省燃料,提高經經效益。復合材料不同于金屬材料,它是在制造材料的過程中即形成構件,免去了鋼材所需的復雜加工工藝,可設計性好,加工成型方便,尤其受船舶工業的歡迎。玻璃鋼具有良好的抗磁、隔音、電絕緣性能和不反射雷達波等特點,特別適合軍事裝備,廣泛用于掃雷艇和巡邏艇等[8]。玻璃鋼船艇的制造已不存在任何實質性的問題,開發重點是如何在性能與穩定性方面、經濟與安全方面取得優化協調[9]。秦皇島玻璃鋼廠曾生產過班用沖鋒舟,但仍處于試生產階段,與定型生產和大量裝備部隊的要求尚有差距。
4  結束語
    復合材料用于軍事裝備的優異性能是毋庸置疑的。從長遠考慮,其應用大有前途。發展復合材料并不是要丟棄傳統材料。傳統材料的應用已有數百年的歷史,它有自己獨特的優勢,短期內不可能被完全代替。近年來,傳統材料領域在積極發展新工藝、新理論,以充分發掘材料性能的潛力。應用復合材料時時應考慮與傳統材料的混合使用,仔細研究它們的連接方式,求得性能的佳結合。