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美军武器装备材料自修复技术探秘

2018-01-26 15:08:22
作者:本网发布
来源:《腐蚀防护之友》

在经典科幻电影《终结者》系列中,T-1000 型、T-X 型等反派机械杀手,以其冷酷无情的刺杀技能、无与伦比的技术装备、令人惊叹的变形特技给影迷朋友们留下了极其深刻的印象,特别是前所未见的自我修复能力至今仍使广大军迷们击节赞赏。电影往往映射着现实。随着高新科技的发展,美国军方所希望研制的智能武器是一种能够模仿生命系统、感知环境变化、实时作出反应,从而可与变化后的战场环境高度适应的复杂武器系统,而在这些智能武器的实际试用中,军方要求它们必须具备的一项重要功能就是自修复。

    在经典科幻电影《终结者》系列中,T-1000 型、T-X 型等反派机械杀手,以其冷酷无情的刺杀技能、无与伦比的技术装备、令人惊叹的变形特技给影迷朋友们留下了极其深刻的印象,特别是前所未见的自我修复能力至今仍使广大军迷们击节赞赏。电影往往映射着现实。随着高新科技的发展,美国军方所希望研制的智能武器是一种能够模仿生命系统、感知环境变化、实时作出反应,从而可与变化后的战场环境高度适应的复杂武器系统,而在这些智能武器的实际试用中,军方要求它们必须具备的一项重要功能就是自修复。虽然美军武器装备的自修复技术目前仍属于深度探索与初步应用阶段,与T-1000、T-X这些“终结者”相比仍然是“小巫见大巫”,但这并不影响其对该项技术的热衷与追求。

 

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世界上第一种自修复新型塑料,能够像《终结者2》中液态金属机器人一样,
实验显示97%测试样本在两个小时内自动愈合

 

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美军研发可自修复的生化防护服,并使用机器人进行测试


    生化防护服自修复

    顾名思义,自修复即物体在受损时能够进行自我修理、恢复原有属性,从而保持自身功能完整的一项新型技术。2015 年 11 月 19 日,美国陆军网站透露,美陆军纳蒂克士兵研究开发与工程中心、马萨诸塞大学洛厄尔分校与粹通系统公司(Triton)三家机构正在合作研发用于生化防护服的自修复技术。

    众所周知,穿上一套生化防护服的士兵能够与外界及神经毒气、病毒、细菌等诸多有害物质隔离;当士兵执行任务时,其生化防护服若被灌木、荆棘、树丛、石头或针状金属刺透,则会产生针孔大小的破损,虽然肉眼不易觉察,但如果真是在沾染地区活动,遭到像VX 等杀伤力极高的毒气,士兵很可能还没反应过来就会丧命。对于人体而言,划伤能使皮肤表面出现裂口、出血,但我们的身体有能力使其止血、结痂并愈合;为此,美国陆军引入同样的理念用于自修复面料或涂层,这种面料或涂层中含有微型胶囊修复流体,当面料或涂层因外力出现切口或破损时,就可以进行自我修复。根据防护服类型,自修复涂层可以是喷覆涂层或连续涂层。防护服自修复技术采用自修复微型胶囊进行间隙填补的创新方法,当微型胶囊被撕破时,它将被激活来修复切口、刺孔或破损处;当切口、刺孔或破损处被修复如初时,自修复涂层中含有的反应剂会解除因破损所带来的潜在危险或威胁。这种自修复技术有助于对致命的化学品、细菌和病毒建立物理屏障,从而为参战士兵提供及时、不间断的生化防护。

    自修复技术将使军服面料上的切口、裂口、破洞、刺孔能够快速自修复。这意味着军服的防护质量不再受破洞、刺孔等的影响。该技术将被应用到三军轻便一体化服装技术项目和三军飞行员防护套装项目中。其中,前者是基于一种携带活性碳球的无纺布料,特点是穿着舒适,透气干爽,但是不易于内嵌微型胶囊,为此必须在其表面喷涂微型胶囊和发泡剂。后者的防护机理是基于一种选择性渗透膜,当微型胶囊被嵌入到选择性渗透膜中或一个辅助性的反应式选择性渗透膜层内时,辅助性的反应式选择性渗透膜将充当自我修复的辅助性阻隔材料。战斗中,当薄膜破裂时,这些微型胶囊将自动打开,在大约 60 秒时间内修复破裂口,并借助于间隙填补技术进行裂口修补,从而有能力阻止化学制剂等有害物质。选择性渗透膜结构表现得像一种制剂屏障,但是允许汗液等温 / 热性水、气体排出,即湿气能够从人体被输送到防护服之外。

    军用车辆防锈自修复

    我们知道,美军武器装备大多是以金属制品为主,而金属锈蚀会给武器装备造成极大的危害。它会破坏武器装备的外表光泽与表面结构;若是机械配合件,锈蚀后会导致螺丝、螺母等配合件松动或者锈死;锈蚀中含有水、空气、电解质等,会加速武器氧化,进而造成损坏。据概略统计,美军每年因金属锈蚀而报废的军事设备与材料占总装备的5% 以上,而且金属锈蚀还会造成武器装备维修与保护费用的巨额增加。据美国国防部披露,美海军部门每年因锈蚀问题造成约 70 亿美元的巨大损失,其中有 5 亿美元用于修复锈蚀的海军陆战队地面车辆。为此,美国海军率先为军用车辆研发自修复防锈涂料添加剂。

 

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联合轻型战术车辆的外表涂料将具有类似于人体
肌肤的自愈合功能,从而防止车辆锈蚀


    2014 年 3 月 20 日,美国海军技术网报道称:美国海军研究局和约翰霍普金斯大学应用物理实验室联合开发了一种新的涂料添加剂,可以使海军陆战队“联合轻型战术车辆”等军用车辆的涂料具有类似于人体肌肤的自愈合功能,从而防止车辆锈蚀。

    这种粉末状添加剂称为“聚成纤维原细胞”,可以添加到现有的商用底漆中,它由填满油状液体的聚合物微球组成,一旦划伤,破损包膜处的树脂便会在外露的钢材外形成蜡状防水涂层,防止车辆表面锈蚀,这种技术特别适合在恶劣环境下使用的军用车辆。该项目开始于 2008 年,经过海军研究局三任项目经理的不懈努力,最终在该领域获得突破,通过了实验测试,并将技术转移至海军陆战队地面系统项目。此项目的研发是基于美国海军陆战队在《海军陆战队 2025 年远景与战略》中的承诺,即实现“装备后勤现代化,从而扩大远程作战能力,维持海上作战能力”。

    军用车辆腐蚀的主要原因是在舰艇上运输或储存过程中,受到了海洋盐雾环境的影响。为此,美军技术人员在实验室测试中将表面涂有涂层的钢材置于充满盐雾的房间内,结果表明:涂有聚成纤维原细胞涂层的钢材能够保持 6 周时间内不生锈。与其他的自我修复涂料相比,聚成纤维原细胞底漆能够防止军用车辆在各种环境下被腐蚀。该项目的首席科学家本克斯科介绍说:“我们不关心它对车辆是否美观,我们只关心如何防止腐蚀。”美国海军研究局远征机动作战与反恐作战部后勤研究项目负责人弗兰克弗曼也表示:“军用车辆防锈自修复技术能够降低维修费用,而更重要的是,它能够延长海军陆战队车辆在战场上的运用时间。”

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液态金属微型胶囊,可用于自行修复军用电子电路


    军用电子线路自修复

    物竞天择。自修复属于生物界在长期进化过程中所获取的一种自我防御能力。与此相类似,在一定人为干预的条件下,以金属芯为主的电子线路也会出现一种自我修复的能力,具有“生命”特征与“再生”机能。美军试图揭开电子线路自我修复的神秘面纱,因为这种能力一旦被军方所掌握,便可能派生出许多崭新功能,从而应用在军用电子线路的研制、生产、维修等诸多方面。

    对于武器装备中电子线路的自我修复能力,美军尝试通过人工干预来寻找最有效的金属材料。2013 年初,美科研人员就发现了一种使用液态金属和特殊聚合物来制造野战被覆线的方法,他们将铟和镓的液态合金以微型胶囊的形式放置于同样具有可延展功能的聚合物之中,当金属芯因外界压力破损时,该力同样会碾破若干个载有修复材料的微型胶囊,释放出的液态金属能及时填充在破损导致的间隙之中,从而使得电流或电信号重新恢复联通。

    实验结果表明,这种盛装液态金属的微型胶囊能“治愈”大部分测试电子线路,用时只需 1 微秒,几乎是瞬间即可让电压恢复到正常值。该自修复技术的重要意义有三:一是可以研制出寿命更长的可充电电池。眼下的可充电电池在多次重复使用后会因设备内部的损害中断电流而引发故障,一旦这个问题被解决,军用充电电池的寿命将大幅度延长,维护成本也将明显减少。二是可以将装甲目标受损部位迅速修复。美国五角大楼曾试验一项可自我修复的新材料,这种材料由镁、铝等金属与其他特殊元素混合构制,其内部呈泡沫结构,熔点相对较低。若用在坦克、步兵战斗车的外层表面,一旦遭到火箭弹等重型武器攻击,这种材料中的泡沫便会破裂,裂缝会被气流携带的金属液体迅速填补愈合,凝固后就能使“创口”愈合,恢复如初,仿佛《终结者》中的T-1000再现。三是这种液态金属电线可以供便携式无线设备使用。因为包裹在特殊材料中的液态电线,不仅可自我修复,还具备可根据其接收的无线电波来自我调整的能力。如果将这样的液态电线与小型录音设备相连,嵌置于重要战术工事之内,电线会随着压力变化而伸收,这样工事结构的安全性便可以被实时监测。

 

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美国科研人员研制出具备自我修复能力的液态金属电线

 

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防护装备自修复功能对美军一线士兵意义重大


    防御工事自修复

    防御作战中,为减少伤亡、阻敌进攻而在有利地形上构筑的筑城工事,我们称为防御工事,包括射击工事、交通工事和掩蔽工事。其中,射击工事有掩体、堑壕、火器座等;交通工事有暗壕、堑壕交通壕等;掩蔽工事有掩壕、掩蔽部、猫耳洞等。这些工事以钢筋混凝土材料建造时最为坚固。然而,战斗中,即使最坚固的防御工事也会遭到进攻方的猛烈轰炸,出现破损、裂纹等现象在所难免。为此,以美军为代表的西方军队开始研制自修复混凝土技术,相继出现了水泥基导电复合材料、水泥基磁性复合材料、损伤自诊断水泥基复合材料、自动调节环境温度 / 湿度的水泥基复合材料等。

    自修复混凝土是一种具有感应与修复性能的混凝土,是智能混凝土的初级阶段,但却是混凝土材料发展的高级阶段。由这种材料构建的混凝土结构出现裂纹或损伤后,可以进行及时而有效的修复与愈合。研究混凝土裂纹的自修复最早可以追溯到 1925 年,科技人员发现混凝上试件在抗拉强度测试开裂后,将其放在户外 8 年,裂纹竟然愈合了,而且强度比先前提高了 2 倍。后来挪威一名学者的研究也表明,混凝土在冻融循环损伤后,将其放置在水中 203 个月,混凝土的抗压强度有了 5% 的恢复。美国科研人员受生物界的启示,模仿动物的骨组织结构和受创伤后的再生、恢复机理,采用粘接材料和基材相复合的方法,使材料损伤破坏后具有自行修复和再生功能。

    目前,美国军方对钢筋混凝土裂缝实施修复进行了深入研究,并取得了一定实验性成果:他们在 100×100×200 毫米混凝土试件上预制裂纹,可以是表面裂纹也可以是穿透裂纹,然后将带有预制裂纹的试件浸泡在氯化镁溶液中,施加直流电源;在通电的前两个星期内,裂纹闭合速度最快,4 ~ 8 个星期后,裂缝几乎完全闭合。早在 20 世纪末,美军科研人员就将缩醛高分子溶液作为胶粘剂注入到玻璃空心纤维或者空心玻璃短管中并埋入到混凝土中,当混凝土结构在使用过程中出现裂纹时,短管内的修复剂流出渗入裂缝,通过化学作用而使修复胶粘剂固结,从而抑制开裂,修复裂缝。

    飞行控制自修复

    飞行控制系统是航空器在飞行过程中,利用自动控制系统,能够对飞行器的构形、飞行姿态和运动参数实施控制的系统。现代航空技术发展异常迅速,航空器的设计变得既精密又复杂,直接关乎操作可靠性、运行安全性的飞行控制系统也成为航空器当仁不让的核心技术。甚至可以说,操作面损伤、卡死或浮松等硬故障可能成为航空器飞行控制系统的致命问题。为此,飞行控制自修复作为发展智能飞行控制技术的重要组成部分,成为能够进行自主维修诊断、故障重构和主动实时告警的自动控制系统。

    20 世纪 80 年代,美国空军对在越南战争中的战斗机进行了统计分析后得出结论:若当时具有自修复技术,则会对提高战斗机的安全性、可靠性和生存能力具有重要意义。随后飞行控制自修复技术引起了世界范围内的广泛关注,美国空军遂将“自修复飞行控制系统设计”作为研究重点之一,尔后美国国家航空航天局首次提出自修复控制概念。1984 年之后,美国空军飞行动力学实验室开始实施自修复飞行控制系统(RESTORE)计划,洛克希德 ? 马丁公司将“自设计飞行控制器”用于RESTORE 计划,并在 F-16 飞机上试飞成功。目前,以美国为代表的航空技术先进国家已经对飞行自修复关键技术开展了大量研究和试飞验证,特别是基于在线神经网络和动态逆的自修复控制系统也由波音公司在 RESTORE 项目中进行研制,并以X-36飞机为载机成功试飞。2002 年,美军又明确提出研制具有故障自愈调控功能的无故障、少故障或免维修、少维修的新一代军用航空器自修复飞行控制系统,标志着飞行控制自修复技术已发展到更高的水平。由此可见,飞行控制自修复技术必将成为信息化时代战斗机与无人机系统的核心技术之一,并将备受美国、俄罗斯、英国等军事强国的高度重视。

资料来源:网络

标签: 美军, 武器装备, 新材料, 自修复

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