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国内外防弹标准防护等级的研究与对比
来源:https://www.fx361.com/page/2022/1011/10757048.shtml | 作者:张洋洋, 赵洪山, 彭伟, 胡春东, 杨志刚, 董瀚2, | 发布时间: 2023-10-14 | 1381 次浏览 | 分享到:

张洋洋, 赵洪山, 彭伟, 胡春东, 杨志刚, 董瀚2,

(1.清华大学 材料科学与工程学院, 北京 100084;2.钢铁研究总院, 北京 100081;3.上海大学 材料科学与工程学院, 上海 200444;4.上海大学 (浙江)高端装备基础件材料研究院, 浙江 嘉兴 314100)

0 引言

“以子之矛,陷子之盾,何如?”可见,矛与盾的斗争自古有之。随着现代科技的进步,武器弹药的侵彻能力不断提高,对应“盾”的防护能力也在不断增强与进步,为较准确地评价防护材料抵抗各种侵彻弹丸的能力,各种防弹标准应运而生且内容不断充实和完善。

由于各国制式枪弹口径及弹药结构的差异,根据受到威胁程度的不同分别制定了各自相关的防弹标准。美国国家司法协会自1972年发布第一部防弹衣标准NIJ 0101.00,至今已经50年。在长达半个世纪里,美国的防弹衣标准经历了8次修订和完善,其中2008年发布的NIJ 0101.06是目前世界范围内防弹衣防护等级评定应用最广泛的防弹标准之一。针对防弹头盔防护能力的等级划分,美国司法协会修改完善了NIJ 0106.01防弹头盔标准,该标准对射击实验的装备和实施细则做了详细说明。此外,由美国商业保险实验室制定的防护设备防弹标准UL 752也是国际上应用较为广泛的防弹标准之一;俄罗斯作为军事大国,制定发布的防弹标准较多,其中应用较广泛的有GOST 34286—2017《防弹衣分类和一般规范》和GOST 34282—2017《装甲防护车辆 一般技术要求》;英国防弹衣最新标准是2017年发布的HOSDB《警用防弹衣标准》,替换了HOSDB《警用防弹衣标准》2007版;德国防弹衣标准应用最多的是SCHUTZKLASS标准2008版,装甲车辆防护标准常用的为VPAM-APR防弹标准—2021;欧盟EN 1522—1998《窗、门、锁扣防弹要求和分类》和EN 1063—1999《建筑玻璃、安全玻璃窗、防弹玻璃抗弹实验和分类》替换了老旧的德国DIN 52290防弹标准和英国BS 5051防弹标准,是目前欧盟成员国应用较多的两部防弹标准;北约作为一个影响力较大的国际军事组织,制定发布了许多军事设施和装备的标准,其中防弹标准应用较多的有STANAG 2920《个人装甲材料和战斗服装的弹道测试方法》和STANAG 4569《装甲车辆成员防护等级》;我国各种防弹标准也在随着防护材料和威胁程度的变化而不断完善,目前应用较多的主要有中华人民共和国公共安全行业标准GA 141—2010《警用防弹衣》、GA 164—2018《专用运钞车防护技术要求》、GA 165—2016《防弹透明材料》、GA 293—2012《警用防弹头盔及面罩》、GA 423—2015《警用防弹盾牌》、GA 668—2006《警用防暴车通用技术条件》等。

伴随着武器弹药侵彻力度的提升和防护材料技术的进步与发展,各国相应的防弹标准不断进行适当的调整与完善,使其更加符合新形势下的防护要求。因此了解和掌握不同国家最新的防弹标准和技术要求对于我国从事相关行业的研究人员具有十分重要的意义。目前评价装甲防护材料抗弹性能的方法主要有3种:第1种是根据抵抗枪弹威胁程度进行材料抗弹能力等级划分;第2种是测定其防护系数;第3种是测定防护材料的极限穿透速度。防弹标准多采用第1种方法,后两种方法多用于装甲钢等均质装甲抗弹能力的评价。本文将从防弹衣、防弹头盔、装甲车辆防护、透明材料和其他防护设备4个方面对国内外现行常用的防弹标准防护等级进行归纳、总结和分析,并对防护级别和主要侵彻弹丸的相关数据进行研究和对比,同时简要介绍了部分标准中对弹丸类型和靶试条件及合格判据的具体要求和说明。同一标准中,每个级别的弹丸侵彻能量不同,对于初始动能的计算采用如下公式:

式中:为弹头质量;为弹速,枪口与测速装置距离较近,由于风阻等引起的速度变化较小,因此将标准中弹速作为枪口初速来计算初始动能。与弹药工程相关的名词术语缩写如表1所示。

表1 弹药相关术语缩写Table 1 Terms and abbreviations related to ammunition

1 常用防弹标准研究与对比

1.1 防弹衣标准

防弹衣是单兵(警)防护体系中最重要的组成部分,帮助穿戴人员抵抗弹丸和破片的侵彻。现代防弹衣的雏形是一战时期天然纤维加蚕丝防弹背心和二战期间锰钢片和亚麻布的简单搭配。随着防弹衣防护性能的发展与进步,如何评价其防护能力成为迫切需要解决的问题,防弹标准在此需求背景下制定并不断修订完善。

1.1.1 NIJ 0101.06防弹衣标准

美国是世界上拥有私人枪支数量最多的国家,由此引发的枪击发案率非常高。美国国家司法协会2008年发布的NIJ 0101.06防弹衣防弹标准成为目前国际上防弹衣防护评定应用最多的标准之一,我国出口国外的防弹衣大多按照此标准进行测试与评定。

NIJ 0101.06防弹标准防护等级划分及相关测试条件如表2所示,该标准将防护性能划分为5个等级(特殊测试未列入等级划分),分别为抵抗手枪弹丸威胁的ⅡA级、Ⅱ级、ⅢA级,抵抗步枪弹丸威胁的Ⅲ级、Ⅳ级,取消了NIJ0101.04A标准中的最低防护等级Ⅰ级。标准中规定同一防护等级中列出的两种枪弹类型全部测试,如ⅡA级测试的两种弹丸分别为9×19 mm全金属被甲圆头铅心弹和.40 S&W全金属被甲平头铅心弹,两种弹头结构不同,因此穿甲破坏效果也不同。由于材料抗弹性能与自身温度有一定关系,大部分防弹标准要求测试的防护装备需进行环境适应性实验,该实验是指将防弹衣经高温、高湿、机械磨损、浸泡处理,旨在考察经此类处理后防弹衣的抗弹性能。NIJ 0101.06标准对测试样品的数量、大小型号及弹着点的位置均作了要求,硬质防弹衣中插板的样品尺寸≤254 mm×305 mm。

表2 NIJ 0101.06防弹衣防弹能力等级划分Table 2 NIJ 0101.06 Body armor protection rating

1.1.2 NIJ 0101.07防弹衣标准

NIJ 0101.07防弹衣标准草稿于2018年发布并公审复评,旨在用于替换NIJ 0101.06防弹衣标准。新版标准将防弹衣划分为防手枪弹HG级和防步枪弹RF级两大类,弹丸初始动能从最低防护等级634 J至最高防护等级4 124 J。各防护等级划分及相关射击要求如表3所示。 NIJ 0101.07标准中取消了新旧防弹衣弹速差异,全部采用高弹速。此外还取消了NIJ 0101.06标准中的ⅡA级,与 NIJ 0101.06相比,新标准增加了测试步枪弹丸的种类,RF1等级的防弹衣需要测试M80、M43、M193的射击实验,3种弹丸既有全威力高动能弹丸,又有高穿透弹丸,对防弹衣防护级别的要求既要能抵抗全威力弹丸,又要能抵抗中间威力弹和高穿透弹丸,表明防弹标准对防护材料防弹性能要求越来越严格。RF2等级防弹衣在RF1等级基础上增加了SS109弹丸测试,该弹丸与M193弹丸尺寸相同,但内部结构及弹心材料有差异,SS109为铅心底座钢制尖头弹,侵彻穿透能力优于M193。新旧两个标准最高防护级别均要求能抵抗.30-06 M2全金属铜被甲尖头穿甲弹的侵彻,弹心材质为硬质钢心,硬度为 785 HV。 此外,靶试测试结果要求弹坑部位未出现可视性通透裂纹,且最大背痕凹陷深度≤44 mm。

表3 NIJ 0101.07防弹衣标准防护能力等级划分Table 3 NIJ0101.07 Body armor protection rating

1.1.3 GOST 34286—2017防弹衣分类和一般规范

俄罗斯GOST 34286—2017防弹衣分类和一般规范于2017年发布,该标准将防弹衣防弹能力划分为BR1~BR6共6个等级,如表4所示。此标准还对防弹衣防刺、防猎枪、防破片能力进行评级,等级代号分别是S级、S1级和S2级。标准中BR1~BR3是抵御手枪威胁的防护等级,3个等级要求接受测试样品被有效击中后背面衬底材料凹陷深度≤17 mm。由于BR3级测试弹头采用硬度较高的强化钢心弹,即使弹丸动能小于BR2级测试弹丸,但防护级别却更高。BR4~BR6是抵抗步枪威胁的防护等级,新标准中这3个级别防弹性能要求靶板未穿透即可,未对靶板背面衬底材料凹陷深度作要求。该标准的最高防护级别为BR6级,接受测试弹丸为12.7×108 mm全金属钢被甲尖头穿甲燃烧弹,弹丸初始动能16 602 J,是目前所有防弹衣标准中最高的防护等级。

表4 俄罗斯GOST 34286防弹衣防护等级划分Table 4 Russia standard GOST 34286 armored clothing protection rating

1.1.4 HOSDB-2017警用防弹衣标准

英国内政科学发展部于1993年发布警用防弹衣标准第1版,经历了20多年的修改和完善,于2017年发布最新的防弹衣标准,该标准将防弹衣防护等级划分为HO1~HO4四个等级和防霰弹枪SG1级,此外还将.357 Magnum和SS109两种弹丸列为特殊级别,如表5所示。HO1、HO2级防弹衣用来抵御手枪弹丸威胁,这两个级别防御的枪弹类型相同,弹速不同。HO3、HO4级防弹衣用来抵御步枪弹丸威胁。相对于2007版防弹标准,新标准HO3等级增加了AK47射击M43弹丸(7.62×39 mm)的测试。最高防护级别HO4测试弹丸为7.62×51 mm SAKO公司生产的.308Win 480A POWERHEAD全铜开尖弹,该弹为全铜制造,在弹尖处有开口,并加装塑料风帽,此风帽在侵彻过程中辅助弹头扩张,该弹头结构较为特殊,形貌如图1所示。特殊级别中的3种武器弹药未在英国警察队伍中列装,因此将其归纳为特殊级别。该标准对靶板背痕深度要求随防护等级不同而有变化,如表5所示。

表5 英国HOSDB-2017防弹衣标准防护等级划分Table 5 Protection rating in HOSDB Body Armor Standard 2017 (UK)

图1 SAKO公司.308 Win 480A POWERHEAD弹头形貌Fig.1 Macroscopic feature of .308 Win 480A Powerhead

1.1.5 SCHUTZKLASS防弹衣标准2008版

SCHUTZKLASS防弹衣标准2008版是德国应用较多的防弹标准之一,该标准将防弹衣及插板防弹能力分为SKL~SK4五个等级,各等级划分及射击条件如表6所示。防弹衣插板测试样品的尺寸要求为350 mm×400 mm,该标准没有样品浸水后的射击要求,但有接触性射击测试要求,有别于其他防弹标准。抗弹性能要求弹丸未穿透样品,弹坑部位未出现可视性通透裂纹,且样品背部弹痕深度<42 mm。

表6 德国SCHUTZKLASSE防弹标准(2008)防护等级划分Table 6 Protection rating in SCHUTZKLASSE standard for bullet resistance (2008) (German)

1.1.6 GA 141-2010警用防弹衣

我国防弹标准的制定相较于欧美等国家起步稍晚,但经过20多年的发展已经较为完善。防弹衣标准现行版本为2010年发布的GA 141—2010《警用防弹衣》标准,该标准将防弹衣防护等级划分为 6级,如表7所示,并对防弹衣的试验方法和检验规则做了详细要求,1~4级防护等级测试弹丸均为手枪弹丸,初始动能在249~753 J之间,3级防护和4级防护测试弹丸尺寸结构相同,但二者弹心材质不同,4级防护测试弹丸为钢心弹,其侵彻能力优于具有相同初始动能的3级防护测试弹丸。5级防护测试弹丸为7.62×39 mm全金属覆铜钢被甲尖头钢心弹,弹丸初始动能2 116 J,该防护级别接近 NIJ 0101.07 中的RF1级。6级防护测试弹丸为7.62×54 mm全金属覆铜钢被甲尖头钢心弹,弹丸初始动能3 307 J。该标准对样品防弹性能要求为所有弹头未穿透防弹衣,无可视性通透裂纹,且背痕深度≤25 mm,低于美国NIJ0101.06标准(≤44 mm)背痕深度。对测试样品进行高低温和浸水湿热环境预处理后称为旧防弹衣。浸水实验时长30 min,高温实验温度为70 ℃±2 ℃,相对湿度80%,处理时长240 h。

表7 警用防弹衣防护等级划分Table 7 Police ballistic resistance of body armor protection rating

1.1.7 防护等级对比与分析

以防护级别为横坐标,弹丸初始动能为纵坐标,对上述6个常用防弹衣标准各防护等级的侵彻弹丸初始动能进行对比和分析,结果如图2所示,同一等级中若测试2种或3种枪弹,对比时选用这几种弹丸动能的最大值,未将猎枪、霰弹枪、破片等防护级别列入图2。

图2 常用防弹衣各防护等级弹丸初始动能对比Fig.2 Comparison of muzzle kinetic energy on body armor protection levels

从弹丸初始动能来看,目前防弹衣防弹标准中防护级别最高的是俄罗斯GOST 34286—2017标准中的6级防护,测试弹丸为12.7×108 mm全金属钢被甲尖头穿甲燃烧弹,弹头质量48.2 g,弹丸初始动能16 602 J,明显高于其他标准中测试弹丸的初始动能;其次为美国NIJ 0101.07标准中的RF3级和 NIJ 0101.06 中的Ⅳ级,测试弹丸均为.30-06全金属铜被甲尖头穿甲弹,该弹丸尺寸为7.62×63 mm,弹头质量10.7 g±0.1 g,弹丸初始动能4 124~4 163 J。 我国GA 141—2010标准最高防护6级测试枪弹为79/85式狙击步枪发射53式7.62×54 mm全金属钢被甲尖头钢心弹,弹头质量9.6 g,弹丸初始动能3 307 J。图2表明,我国防弹标准中手枪和步枪各防护等级测试弹丸的初始动能均比国外同等级偏低。

从各等级测试弹丸结构和材质看,中、俄、德三国测试弹丸多用全金属覆铜钢被甲弹丸,俄罗斯测试弹丸弹心大多为强化钢心弹,硬度较高,侵彻能力较强,而且BR5-BR6级测试弹丸采用含有燃烧剂的穿甲燃烧弹,穿甲毁伤作用更大。我国测试弹丸弹心材质多为低碳钢,弹心硬度偏低,英、美两国防弹标准各等级测试多采用全金属铜被甲弹丸,弹丸弹心材质多为铅合金,硬度较低。俄罗斯 GOST 34286—2017标准在BR3防护等级中测试手枪弹丸为9×19 mm的穿甲弹,弹丸初始动能虽然只有588 J,但其弹心硬度高,穿透能力好,因此威胁程度高于其他标准同级别手枪弹丸。

对比各国防弹衣标准防护等级,我国GA 141—2010标准中5级防护能力介于NIJ 0101.06标准的ⅢA级与Ⅲ级之间,接近NIJ 0101.07标准的 RF1级和HOSDB—2017标准中的HO3级,略低于GOST 34286—2017标准的BR4级;GA 141—2010标准中6级防护能力接近NIJ 0101.07中的RF2级和德国SCHUTZKLASS—2008标准中的SK3级,介于 GOST 34286—2017标准中的BR4与BR5级之间,低于HOSDB—2017标准中的HO4级。我国军用防弹衣标准GJB 4300A—2012最高防护等级的测试弹丸为7.62×54 mm穿甲燃烧弹,该弹丸弹头质量10.45 g,初始动能3 428 J,该等级防护能力接近 NIJ 0101.07 标准中的RF3级,GOST 34286—2017标准中的BR5级,优于HOSDB—2017标准中的HO4级和SCHUTZKLASS—2008标准中的SK4级。除上述6部防弹标准外,北约制定发布的STANAG 2920个人装甲材料和防弹衣弹道测试方法也是经常用到的防弹标准,该标准主要用来测试样品抵御子弹、破片、飞镖3种侵彻体的值,并未进行防护等级划分,因此本文未将该标准列入对比分析中。

经过上述对比与分析可知,我国GA 141—2010标准中各防护等级测试弹丸初始动能均低于其他国家防弹标准中同级别测试弹丸,同等级测试弹丸种类也少于国外防弹标准,一部分原因是由于国内外制式枪弹类型、私有枪支数量、枪击案件发生率、防护装备使用环境等因素有差异所导致。

1.2 防弹头盔

防弹头盔是用于保护头部免受弹丸或炮弹破片伤害的一种单兵防护装备,其防护能力对提高被保护人员的生存能力、减少伤亡至关重要。随着材料发展,防弹头盔的制作材料也由开始的金属材料逐渐发展成为芳纶、超高分子聚乙纤维、纤维增强型树脂基等复合材料。

1.2.1 NIJ 0106.01防弹头盔标准

随着枪弹威胁程度的加剧,美国司法协会修订完善了NIJ 0106.01防弹头盔标准,对防弹头盔必须满足的性能做了相关规定及要求,头盔的防弹性能等级划分如表8所示。该标准将防弹头盔划分为Ⅰ级、ⅡA级、Ⅱ级和ⅢA级。Ⅰ级防御的弹丸威胁和NIJ 0101.04A防弹标准中Ⅰ级相同。ⅡA和 Ⅱ级要求防御的枪弹类型一致,弹速不同,产生不同的初始动能来划分防弹头盔的防护能力。ⅢA级是修订后增加的防护级别,防御弹丸威胁和NIJ 0101.06中ⅢA相同。防弹头盔标准NIJ 0106.01修订版综合了防弹衣标准NIJ 0101.04A和NIJ0101.06中手枪弹丸威胁的防护等级。

表8 防弹头盔NIJ 0106.01(修订版)防弹标准等级划分Table 8 Protection rating in NIJ Standard 0106.01 for Ballistic Helmet (modified) (US)

该标准要求每个防护等级的两种枪弹类型均要测试,每个头盔在常温下接受4次射击,弹着点位置分别为头盔的前后左右的中间区域,4次射击结束后,如果未发生穿透和通透性裂纹,则对第2个经过浸水实验预处理后的头盔进行上述射击实验,防弹性能要求与常温下头盔相同。

1.2.2 GA293—2012警用防弹头盔及面罩

GA293—2012《警用防弹头盔及面罩》标准将防弹头盔防护能力划分为两个等级,如表9所示,每个等级只需测试一种弹丸即可。该标准各等级防弹性能要求每个头盔射击次数5次,比NIJ0106.01标准射击次数多1发。弹着点位置分别为头盔前后左右头顶各1发,弹丸有效击中目标后,弹击面背部未出现穿透或看不到弹头,弹坑背痕高度≤25 mm,弹着点间距及距边缘距离≥50 mm,且悬挂缓冲系统无零件脱落。

对防弹面罩的防弹要求为:按表9中规定的防护等级测试,0°角正面射击一次,弹丸未穿透面罩,内侧无飞溅物,连接锁紧装置不能分离,弹着点距边缘距离≥30 mm。1级防护面罩要求质量≤1 200 g,2级防护面罩要求质量≤1 500 g。此外,GA 293—2012标准对防弹头盔及面罩的耐水性能、高低温环境适应性、阻燃性能,对面罩的透光率、光畸变性能、防雾性能均做了要求。

表9 防弹头盔防护等级划分Table 9 Bulletpro of helmets protection rating

1.2.3 防护等级对比与分析

如图3所示,对NIJ 0106.01(Modified)防弹头盔、GA 293—2012这两个标准中各防护等级弹丸初始动能进行比较,我国防弹头盔的防护等级划分数量少于美国NIJ0106.01(Modified)标准,且同级别弹丸初始动能也小于NIJ0106.01(Modified)标准。在射击次数方面,我国GA 293—2012标准规定每顶头盔接受前、后、左、右、顶部共计5次射击,NIJ 0106.01(Modified)标准中规定每顶头盔只接受前、后、左、右4次射击即可,相对于GA 293—2012标准减少一次顶部射击。目前防弹头盔主要用来抵挡手枪弹或者低能量弹丸破片,对步枪弹或者高能量的弹丸破片,防弹头盔尚不能形成有效防护。NIJ 0106.01(Modified)标准同一个防护等级均需测试几种不同的弹丸威胁,GA 293—2012标准每个等级只测试一种弹丸威胁,我国防弹标准可适当增加每个等级测试弹丸威胁的种类。此外,两个标准均对阻燃、耐水等其他性能做了要求。

图3 防弹头盔各防护等级弹丸初始动能对比Fig.3 Comparison of muzzle energy on the ballistic helmet protection levels

1.3 装甲防护车辆防弹标准

现代化装甲防护车辆既能为车内乘员在复杂恶劣的战场环境中提供有效的安全保障,又可以搭载配备侦察和攻击敌人的武器,因此成为现代战争中不可或缺的军事装备。装甲车辆防弹标准对相关车辆进行防弹能力等级划分,可以准确地帮助行动指挥者选择合适的装甲车辆应对危险环境中各种弹丸或破片的威胁。

1.3.1 STANAG 4569装甲车辆乘员防护等级

北约是以美国为首的国际军事组织,该组织制定发布的STANAG 4569装甲车辆乘员防护等级对轻型装甲车辆防弹抗爆性能进行等级划分,本文主要对标准中所测动能弹的防护等级进行对比分析。

该标准定义了装甲车辆抵抗动能弹和炮弹破片的6种防护级别,如表10所示。测试弹丸口径范围从5.56~30 mm不等,其中包括AP、API、APDS、APFSDS等多种大口径弹丸,5级和6级防护测试弹药形貌如图4所示。模拟弹丸破片尺寸规格为 20 mm 级,破片材质选用冷轧退火态4337H钢或4340H钢,热处理后硬度30 HRC±1 HRC。该标准中对动能弹的射击次数要求为300 mm×300 mm区域内垂直靶面射击3次,防弹性能要求为靶板未产生可视性裂纹且背面未产生飞溅碎片。

表10 北约标准STANAG 4569对动能弹及破片的防护等级划分Table 10 NATO STANAG 4569 protection rating for KE projectile and FSG

图4 北约防弹标准STANAG 4569中5级、6级防护要求测试弹丸形貌对比Fig.4 Comparison of penetrator morphology of level 5&6 on the bulletproof standard STANAG 4569

STANAG 4569—2014标准1级防护测试弹丸有3种,分别是M193、SS109、M80弹,该防护等级接近NIJ0101.07中RF2等级。2级防护测试7.62×39 mm全金属覆铜钢被甲尖头穿燃弹,弹头质量7.77 g,初始动能1 877 J,虽然弹丸初始能量不及 1级防护测试M80弹,但硬质钢心穿燃弹侵彻破坏能力优于M80弹。此外,所有等级测试弹速均略低于标准弹速该标准是目前国内外常用防弹标准中防护级别要求最高的标准之一。

1.3.2 GOST 34282—2017装甲防护车辆通用技术要求

GOST 34282—2017《装甲防护车辆通用技术要求》于2017年发布,是俄罗斯专门针对装甲车辆进行防护能力评价的标准。此标准将防弹材料的防护级别划分为BR1~BR6和防猎枪的S1共7个级别,各防护等级测试所用武器弹药和GOST 34286—2017《防弹衣分类和一般技术规范》相同,如表11所示,在GOST 34286—2017《防弹衣分类和一般技术规范》基础上删掉了防刺级别和防破片级别。弹丸射击次数根据受测靶板面积来确定,靶面积≤250 mm×250 mm时,射击1发弹丸;靶面积在 250 mm×250 mm至500 mm×500 mm之间时,射击2发弹丸;面积≥500 mm×500 mm时,射击3发弹丸,弹着点位置不做要求。射击方位为靶试目标的任意方位,射击角度为0°角。该标准对各等级防弹性能要求是未穿透靶板和背部不产生飞溅碎片即可。

表11 俄罗斯GOST 34282装甲专用车辆防护等级划分Table 11 Armored cars protection rating in GOST 34282 standard (Russia)

1.3.3 VPAM-APR-2021防弹标准

VPAM防弹标准由德国独立评测机构——防弹材料和结构认证中心制定发布。该标准多用于装甲防护车辆的防弹能力评定,尤其在民用防弹车辆领域应用较多,其他领域的防护装备也经常采用该标准进行防护等级测试。该标准根据测试子弹的威胁程度将防护材料细分为10个防护级别和一个特殊级,如表12所示,各等级测试弹丸口径从 5.5~14.5 mm,弹丸初始动能从168~26 308 J。靶板弹着点位置要求为:500 mm×500 mm的区域内,射击次数为3次,3个弹着点构成正三角形,且弹着点间距为120 mm±10 mm。

表12 VPAM-2021防弹标准等级划分Table 12 Protection rating in VPAM-2010 bulletproof standards

VPAM-APR-2021标准9级防护测试弹药为7.62×51 mm P80穿甲弹,弹丸被甲材质为全金属铜被甲,弹心为硬质钢心,弹头公称质量9.6 g,而SCHUTZKLASS防弹衣标准2008版SK4级防护测试弹药同样为7.62×51 mm P80穿甲弹,弹丸被甲材质为全金属覆铜钢被甲,弹心为硬质钢心,弹头公称质量9.7 g±0.2 g。

1.3.4 GA 164—2018专用运钞车防护技术要求

GA 164—2018《专用运钞车防护技术要求》标准对运钞车防弹性能划分为两类,其中A级、B级测试枪弹为79式7.62 mm轻型冲锋枪发射DAP51B式7.62×25 mm全金属覆铜钢被甲圆头钢心弹,弹丸初始动能为753 J;C级防护抗弹性能试验为56式冲锋枪发射7.62×39 mm全金属覆铜钢被甲尖头钢心弹,弹丸初始动能为2 116 J。等级划分和射击条件要求如表13所示,防弹性能要求为对运钞车驾驶舱、水箱、油(电源)箱射击时子弹未穿透,且透明防护板内侧不产生飞溅物。除运钞车驾驶舱门射击孔处的射击次数为1次外,其余防弹受试部位均为3发弹。该标准对弹着点位置做了一定要求。

表13 运钞车防弹性能等级划分Table 13 Protection rating for cash transport vans

1.3.5 GA 668—2006警用防暴车通用技术条件

根据GA 668—2006《警用防暴车通用技术条件》,对该类型车辆的防弹性能划分为A级、B级、C级三个等级,如表14所示。

表14 警用防暴车防弹性能等级划分Table 14 Bulletproof performance rating for police anti-riot vehicles

A级防护和GA 164—2018标准中的A级、B级相同,测试弹丸为7.62×25 mm全金属覆铜钢被甲圆头钢心弹;B级防护测试弹丸56式7.62×39 mm全金属覆铜钢被甲尖头钢心弹,弹头质量8.05 g,弹头直径和长度分别为7.62 mm和26.8 mm,长径比约为3.5。C级防护测试弹丸为DBP87式5.8×45 mm全金属覆铜钢被甲尖头钢心弹,弹头质量4.15 g,弹头直径和长度分别为5.8 mm和25 mm,长径比约为4.3,在一定范围内,长径比与侵彻能力正相关,5.8 mm弹丸穿透性能更好,造成的威胁程度更大,因此防护级别的判定还与测试弹丸的结构相关。

1.3.6 防护等级对比与分析

图5为装甲防护车辆常用防弹标准各防护等级测试弹丸初始动能的对比,STANAG 4569—2014标准中5级和6级炮弹初始动能分别是96 141 J和186 543 J,远高于其他防护等级的初始动能,未在图5中列出。STANAG 4569标准中的2级和VPAM-APR-2021标准中的8级测试弹丸均为7.62×39 mm全金属被甲尖头穿燃弹,弹丸初始动能虽然较低,但穿甲弹弹心硬度约65HRC,且弹头内部装有燃烧剂,其威胁程度高于M80或SS109弹。因此防护级别的高低还与测试弹丸的弹心材质有关。STANAG 4569三级测试弹丸为7.62×51 mm全金属覆铜钢被甲尖头钨心穿甲弹和7.62×54 mm全金属覆铜钢被甲尖头钢心穿燃弹,弹丸初始动能分别为3 633 J和3 792 J。GOST 34282—2017防弹标准BR5级和 VPAM-APR-2021标准10级测试弹丸同为7.62×54 mm全金属覆铜钢被甲尖头穿燃弹,但二者要求弹速不同,因此侵彻穿透能力不同。STANAG 4569—2014是目前轻型装甲防护车辆防弹标准中等级要求最高的标准之一。

图5 装甲车辆常用防弹标准各等级测试弹丸初始动能对比Fig.5 Comparison of muzzle energy from the testing of armor vehicle protection levels in the commonly used ballistic standards

国内标准对运钞车和警用防暴车的防弹水平要求较低,最高防护级别为GA 668—2006《警用防暴车通用技术条件》标准中C级,测试枪弹为95式步枪射击5.8×42 mm全金属覆铜钢被甲尖头钢心弹,弹丸初始动能1 795 J,其防护水平接近于STANAG 4569—2014一级和VPAM-APR-2021的7级,介于俄罗斯GOST 34282—2017中的BR4和BR5级之间。

1.4 透明材料或其他防护设备

1.4.1 设备防弹标准UL 752

美国的防弹标准除了NIJ系列之外,另外一个较为常用的防弹标准是UL 752。该标准由美国保险商实验室制定发布,主要用于评定透明材料、建筑物、防弹车辆等设备的防护能力,共划分10级和一个S级,如表15所示。

表15 设备防弹标准UL 752防护能力等级划分Table 15 Bullet resistance equipment standard UL752 protection rating

此标准对靶板弹着点位置,测试样品数量,测试靶板温度分别作了不同的规定。对测试防护样品的防弹性能要求是弹丸未穿透样品,背部未产生碎片或产生的少量碎片未对靶板背部457 mm处的瓦楞纸板(厚度3.2 mm)产生损坏。样品尺寸305 mm×305 mm,除此之外,对靶板弹着点的位置做了要求。防护等级1~3要求3个弹着点构成一个三角形,且每两个弹着点至少间隔102 mm±12.7 mm。从初始动能来看,4级、5级测试弹丸的初始动能明显高于6级和7级,但射击弹丸数量和射击位置要求不同。4级、5级的弹丸射击数量各为1发,弹着点在靶板中间位置;6级、7级、8级的弹丸射击数量各为 5发,且弹着点要求落在边长114 mm的正方形4个顶角和中心位置,对防弹材料的抗弹性能是一个非常苛刻的要求。因此即使4级、5级的初始动能高于 6级、7级,但抗弹性能仍低于6级、7级防弹材料,表明等级防护能力的划分与弹着点的位置和单位面积的射击次数也有一定关系。

1.4.2 EN 1063—1999防弹标准

EN 1063—1999《建筑物玻璃、安全玻璃、防弹玻璃实验和分类》是欧洲标准委员会为评价透明材料的抗弹性能而制定的防弹标准,是目前欧盟成员国应用最多的防弹标准之一,防护能力等级划分如表16所示。该标准将靶板材料防护性能划分为 7级。 EN 1063 前3个级别测试弹丸和EN 1522相同;EN 1063中的BR5级只需测试.44 Magnum全金属铜被甲平头铅心弹,而EN 1522中的FB4级需测试.357 Magnum全金属覆铜钢被甲尖锥铅心弹和.44 Magnum全金属铜被甲平头铅心弹;EN 1063中的BR5级和EN 1522中的FB5级均需测试SS109弹;EN 1063中的BR6级只测试M80弹,而EN 1522中FB6级则需分别测试M80弹和SS109弹;两个标准中的最高防护级别BR7级和FB7级相同,测试7.62×51 mm穿甲弹。EN 1063将霰弹枪威胁等级列为SG1和SG2两个级别,2019版未正式发布。每件靶板的射击次数除SG1为1发弹外,其余均为每块靶板3发弹。

表16 EN 1063防弹标准防护能力等级划分Table 16 Protection rating in EN1063 bulletproof standard

1.4.3 EN 1522—1998防弹标准

EN 1522—1998窗、门、锁扣防弹要求和分类是欧洲标准委员会1998年发布的防弹标准,主要用于对非透明装甲材料的防弹能力进行评定。防护等级分类如表17所示。FB1~FB4为防护手枪弹丸威胁的等级,弹丸初始动能在168~1 510 J之间。FB5~FB7为防护步枪弹丸威胁的等级,弹丸初始动能在1 805~3 294 J之间。该标准最高等级FB7测试弹丸7.62×51 mm全金属铜被甲尖头穿甲弹,初始动能为3 294 J,弹心硬度63 HRC,仅从测试弹丸威胁程度来看,介于UL752标准8级与9级之间。该标准将霰弹枪威胁单独列为FSG级。

表17 EN 1522—1998标准防弹等级分类Table 17 Protection rating in EN 1522—1998 bulletproof standard

1.4.4 GA 165—2016防弹透明材料

我国对防弹透明材料制定的最新防护标准为GA 165—2016《防弹透明材料》。该标准将防弹透明材料的防护性能分为6级,如表18所示。1级、2级测试枪弹类型和GA 141—2010《警用防弹衣》标准相同;3级防护测试枪弹类型为79式 7.62 mm 微型冲锋枪发射7.62×25 mm全金属覆铜钢被甲圆头钢心弹;4级防护测试弹丸7.62×39 mm 全金属覆铜钢被甲尖头钢心弹,其弹丸威胁程度介于 EN 1063 标准BR4级与BR5级之间,EN 1522标准FB4级与FB5级之间;5级防护测试弹药为7.62×54 mm全金属覆铜钢被甲尖头钢心弹,其弹丸威胁程度接近于EN 1063标准BR6级和EN 1063标准FB6级;最高防护级别为6级,测试枪弹类型为 85式 7.62 mm狙击步枪射击7.62×54 mm穿甲燃烧弹,弹丸威胁程度高于EN 1063和EN 1522防弹标准最高等级防护测试弹丸。由于UL 752对弹着点位置和弹击次数做了特殊要求,未将GA 165—2016标准中各防护等级与UL 752各等级作比较。

表18 防弹透明材料防弹性能等级划分Table 18 Ballistic transparent material protection rating

该标准要求弹头或弹片未穿透靶板,同一防护级别中如靶板背面有飞溅物但没有穿透测试瓦楞纸板,定义为A类防弹级别,如靶板背面无飞溅物则定义为B类防弹级别。此外,标准中对靶板的靶试实验环境温度做4个等级划分,分别为Ⅰ级(0 ℃,40 ℃)、Ⅱ级(-10 ℃,-55 ℃)、Ⅲ级(-25 ℃,-55 ℃)、Ⅳ级(-55 ℃,-85 ℃),高低温处理时间均为3 h。

1.4.5 GA 423—2015警用防弹盾牌

防弹盾牌根据产品结构一般分为手持式盾牌和轮式盾牌。GA 423—2015《警用防弹盾牌》防护等级划分和测试枪弹与GA 141—2010《警用防弹衣》相同,如表7所示,但射击次数不同,每块盾牌常温下射击次数为盾体9次,观察窗1次,射击孔盖板 1次,共计11发,高低温和浸水后的射击次数如表19 所示。对盾牌防弹性能要求为弹丸有效击中目标后,弹击面背部未出现通孔或通透性裂纹。高温处理温度为55 ℃中保持3 h,取出后5 min之内完成射击实验,低温处理温度为-22 ℃中保持3 h,取出后5 min之内完成射击实验。

表19 警用防弹盾牌射击实验要求Table 19 Shooting experiment requirements of police ballistic shields

GA 423—2015《警用防弹盾牌》对防护面积和盾牌质量、弹着点位置做了要求,手持式盾牌防护面积≥0.16 m,单个盾牌质量≤6 kg;轮式盾牌防护面积≥0.5 m,防护等级6级的单个盾牌质量≤35 kg,其余单个盾牌质量≤28 kg。此外,还应对其进行阻燃性能检验、漆膜附着力检验、把手与盾体之间连接强度检验等。

1.4.6 防护等级对比与分析

图6为透明材料或其他防护设备防弹标准中各等级测试弹丸初始动能的对比,从弹丸侵彻能量上来看,此类防弹标准最高防护级别是美国UL 752防弹标准中的10级防护,测试弹丸为12.7×99 mm全金属铜被甲尖头铅心弹,弹丸初始动能16 816 J。

图6 透明材料或其他防护设备防弹标准各等级弹丸初始动能对比Fig.6 Comparison of muzzle energy from the transparent material or equipment protection level testing according to different standards

我国此类防弹标准中的最高防护级别是 GA 165—2016《防弹透明材料》标准中的6级,测试弹丸7.62×54 mm全金属覆铜钢被甲尖头穿燃弹,弹丸初始动能3 428 J。这两个防护级别均高于 EN 1063—1999和EN 1522—1998标准中的7级防护。

UL752防弹标准中4级、5级测试弹丸威胁程度远大于6级、7级,但4级、5级均射击1发弹丸,6级、7级防护射击5发弹丸,且弹着点位置要求是在边长114 mm的正方形内4个顶点和两条对角线的交点,表明单位面积内的射击次数也是装甲材料防护等级评定的影响因素。

2 标准中常用测试弹丸分析与对比

对常用防弹标准中一些小口径步枪弹丸进行分析与对比,如表20所示。由于同种弹药在不同的防弹标准中采用参数不一致,表20中各弹药部分参数优先选取应用最广泛的防弹标准中的数据,其次选取简氏弹药手册和美国陆军小口径弹药数据技术手册中的标准值。中、俄、德三国防弹标准测试弹药弹头被甲多为全金属覆铜钢被甲,英、美两国所用测试子弹弹头被甲多采用黄铜制成。

表20 防弹标准中各等级测试常用步枪武器子弹参数Table 20 Bullet parameters for level test of common rifles accroding to the bulletproof standards

常用防弹标准等级测试中的7.62×51 mm NATO标准弹丸主要有M80、M993、P80这3种全威力弹,共涉及14部防弹标准,涵盖了防弹衣、装甲防护车辆、透明材料和其他防护设备等应用领域。M80和P80这两种弹丸的弹头被甲既有全金属铜被甲又有全金属覆铜钢被甲,NIJ 0101.06标准中Ⅲ级防护测试弹丸为全金属钢被甲M80弹,而在UL 752标准8级和STANAG 4569—2014标准1级防护中测试全金属铜被甲M80弹。P80弹在VPAM-APR—2021、EN 1522、EN 1063这三部标准为全金属铜被甲,在SCHUTZKLASSE—2008防弹衣标准中为全金属覆铜钢被甲。此外,3种7.62×51 mm NATO弹的弹芯材质也不同,M80为铅心弹,P80为硬质钢心弹,M993为钨心弹。

7.62×39 mm口径弹丸是国内外防弹标准等级测试中常用的一种中间威力弹,共涉及12部防弹标准。该尺寸弹丸主要有56式7.62 mm普通弹(俄罗斯57N231)和56式7.62 mm穿甲燃烧弹两种。两种弹药弹头被甲均为全金属覆铜钢被甲,普通弹弹心材质为低碳钢,硬度较低,穿燃弹弹心为经过热处理的硬质钢。适配射击枪械为AK47步枪,这是目前世界上现存数量最多的枪支,通过对比美标NIJ和英标HOSDB的新旧标准可知,新标准均将步枪AK47发射7.62×39 mm全金属覆铜钢被甲尖头钢心弹加入到防护等级测试的枪弹体系中。

7.62×54 mm口径弹丸主要有53式7.62 mm普通弹、53式7.62 mm穿甲燃烧弹(俄罗斯7BZ3)两种,本文共涉及9部防弹标准用其进行防弹能力等级测试,该口径弹丸普通弹和穿燃弹弹头被甲均为全金属覆铜钢被甲,弹头形状均为尖头。普通弹弹心材质为低碳钢,硬度较低;穿燃弹弹头为经热处理的硬质钢。此外两种弹弹头长度不同:普通弹弹头直径和长度为7.87 mm和33.3 mm,弹头长径比为4.2;穿燃弹弹头直径和长度分别为7.87 mm、37.9 mm,弹头长径比4.8。仅从长径比来看,后者侵彻能力更优异。

常用防弹标准等级测试中的5.56×45 mm NATO标准弹主要有M193和SS109(M855)两种,共涉及9部常用防弹标准。两种弹头被甲均为全金属铜被甲。M193弹心材质为铅心,弹头直径和长度分别为5.66 mm、19.2 mm,弹头长径比3.4;SS109(M855)弹心内部结构较为特殊,由铅心底座和钢制侵彻尖头组成,因此具有优异的侵彻穿透能力和出色的弹道性能。弹头直径和长度分别为5.66 mm、23 mm,弹头长径比为4.1。美国相关研究机构在SS109(M855)弹头基础上进一步优化,研制出了侵彻钢头外露的M855A1弹,弹道性能及侵彻能力更优于M855弹,因此优化弹丸结构是提高弹丸侵彻破坏能力的重要途径之一。6种常用弹药形貌结构如图7所示。

图7 防弹标准中6种常用小口径弹丸形貌对比Fig.7 Morphology and size comparison of small-caliber bullets according to the ballistic protection standards

3 总结与展望

1972年美国发布世界第一部防弹标准 NIJ 0101.00至今已经50周年,经过半个世纪的发展,各个国家针对各种防护装备所制定的防弹标准日趋完善,标准分类也更为细致。

1)从防弹标准的应用范围来看,可以将防弹标准分为防弹衣、防弹头盔、装甲防护车辆、透明材料和其他防护设备四大类。有些防弹标准应用范围较为固定,如NIJ 0101.06主要针对防弹衣所制定,有些防弹标准较为通用,如北约防弹标准STANAG 4569,虽然主要用于装甲防护车辆,因其防护级别较高,一些防弹衣硬质插板为展示自身防弹性能良好,也会采用这个防弹标准进行测试。

2)从防弹标准的使用对象来看,从最初的警务或军事人员发展到如今有安保需求的普通民众,如NIJ 0101系列防弹衣标准名称从最初的警用防弹衣标准更改为后来的个人防弹衣标准,再到现在的防弹衣标准。德国VPAM-APR—2021防弹标准主要应用于民用防护车辆领域。

3)从防弹标准的防护等级来看,同等级测试枪弹类型越来越多,测试弹丸的威力也越来越大。NIJ 0101.07 在NIJ 0101.06的测试基础上增加了 7.62×39 mm全金属覆铜钢被甲尖头钢心弹和5.56×45 mm 全金属铜被甲尖头铅心弹(M193),取消 NIJ 0101.06 中防护级别最低的ⅡA级;俄罗斯GOST 34286—2017防弹标准最高防护级别从旧标准防御7.62×54 mm全金属覆铜钢被甲尖头穿甲燃烧弹升级为防御12.7×108 mm全金属覆铜钢被甲尖头穿甲燃烧弹,也是目前防弹衣标准中最高防护等级。

4)防护等级的评定不仅由各等级测试弹丸初始动能大小决定,还与测试弹体结构、弹心材质、单位面积射击次数、射击角度、靶板面密度有关。

5)不同的防弹标准中对同一种弹药采用的弹丸参数有所差异,NIJ 0101.06中IV级防护测试弹丸M2 AP初速878 m/s,美国商业保险实验室制定的UL 752防弹标准中9级防护测试弹丸同为 M2 AP,但弹速为标准弹速828 m/s。

我国相关防弹标准的制定起步稍晚,内容大多参照NIJ系列的防弹标准并结合国内实际面临的枪支弹药威胁而制定,经过近些年的发展与完善,相关防护装备对应的防弹标准分类也较为齐全。但与美俄等军事强国相比,我国制定的防弹标准防护级别偏低,测试枪弹的种类较为单一。我国是一个防护装备出口大国,每年有大量质优价低的防护用品和装备出口至世界的各个国家和地区,由于各国制式弹药和使用枪支环境的差异,国内外常用防弹标准在测试弹丸种类和威力方面有明显差距,随着武器弹药威胁程度提高,我国防弹标准可适当添加测试弹丸种类或提高各防护等级测试弹丸威力,来对防护装备的抗弹性能各项指标进行更精确划分。此外,现代化的防弹装备多趋向于高科技化和人工智能化,这也是今后相关防弹标准需要完善进步的方向。

感谢剑桥大学罗炳程博士后、上海大学韦习成教授、上海大学陆恒昌讲师、中国钢研集团王存宇教授、范建文教授在相关标准搜寻收集工作中的帮助。