倾斜装甲

倾斜装甲是指既非垂直也非水平的装甲。这种倾斜装甲通常安装在坦克和其他装甲战斗车辆（AFV）以及战舰和巡洋舰等海军舰艇上。倾斜装甲板可有效阻挡反坦克武器（例如穿甲弹、动能穿甲弹和火箭弹）穿透创建，尤其是在这些武器通常沿水平轨迹飞行的情况下。这种防护性能的提升主要源于以下三个方面。

首先，与垂直撞击同一装甲板相比，以非90°角撞击装甲板的弹丸需穿过更厚的装甲。在前一种情况下，弹丸只需穿透装甲板的厚度（即垂直于装甲表面的法线方向）。在装甲板厚度不变的情况下，增加装甲倾斜角度可以提高冲击点的防护水平，其原理是通过增加水平面上的厚度（即弹丸的入射角）来实现。防护效果并非仅针对单个点，而是通过平均水平厚度来衡量，该平均水平厚度等同于面积密度（在本例中为水平方向的面密度）：即用于保护该区域所需的相对装甲质量。

如在保持装甲板厚度不变的情况下，通过增加倾斜角来提高水平厚度，则需要更长、更重的装甲板才能保护特定区域。这种防护效果的提升仅仅等同于面密度（即质量）的增加，并不能减轻重量。因此，在装甲车辆设计中，倾斜装甲的另外两个主要作用是推动其应用的主要动力。

其一是能更有效地利用装甲覆盖特定体积的车辆。一般来说，形状越圆润，其表面积相对于体积就越小。在装甲车辆中，表面积必须覆盖厚重的装甲，因此更高效的形状要么能大幅减轻重量，要么能在相同重量下使用更厚的装甲。倾斜装甲能更好地接近理想的圆形形状。

其二是能使弹丸发生偏转、变形和跳弹。当弹丸以尖锐的角度撞击装甲时，其路径可能会弯曲，从而穿透更多装甲——或者被完全弹开。此外，弹丸还可能发生弯曲，从而降低其穿透力。成形装药弹头在以极高倾斜角度撞击装甲时，可能无法穿透甚至引爆。然而，这些预期效果很大程度上取决于所使用的装甲材料的具体特性以及弹丸的攻击特性：倾斜角度甚至可能带来更好的穿透力。

最锐利的角度通常设计在首上装甲板上，因为这是车辆在遭受攻击时最容易被击中的方向，而且车辆纵向方向上的倾斜空间也更大。

## 原理

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在给定正常厚度下，特定点防护能力增强的原因是装甲瞄准线方向（LOS）厚度的增加。瞄准线方向厚度是指沿水平面（即描述来袭弹丸大致飞行方向的直线）的厚度。对于给定厚度的装甲板，倾斜装甲意味着弹丸需要穿过更厚的装甲才能穿透车辆。

然而，倾斜装甲并非仅仅因为瞄准线方向厚度增加而导致装甲车辆采用倾斜装甲的原因。原因在于，瞄准线方向厚度的增加并不能减轻重量。为保持车辆的既定质量，面密度必须保持不变，这意味着瞄准线方向厚度也必须保持不变，而倾斜角度的增加又意味着正常厚度会减小。换句话说：为了避免增加车辆重量，装甲板的厚度必须相应减小，而倾斜角度的增加则意味着装甲板厚度的增加。

倾斜装甲主要通过两种机制增强装甲战斗车辆的防护能力。最重要的原理是，为达到一定的防护等级，一定体积的装甲必须包裹一定质量的装甲。倾斜装甲可降低表面积与体积之比，从而在给定体积下降低相对质量，或在给定重量下提高防护能力。如攻击来自各个方向的可能性均等，理想的装甲形状应该是球形；但由于水平攻击实际上是常见的，因此理想的形状会变成扁球体。倾斜平板装甲或弯曲铸造装甲可让设计出的车辆外形接近这些理想形状。出于实际考虑，这种机制最常应用于车辆前部，因为那里有足够的空间进行倾斜设计，而且大部分装甲都集中在那里，前提是假设单向正面攻击的可能性最大。简单的楔形装甲，例如M1艾布拉姆斯的车体设计，已经是一个很好的近似方案，并且经常采用。

第二个原理是，击中倾斜装甲的炮弹更有可能发生偏转、跳弹或在撞击时破碎。现代武器和装甲技术大大降低了上述第二个优势，而这原本是二战期间将倾斜装甲融入车辆设计的主要动机。

### 余弦定理

通过倾斜一定角度可增加给定正常厚度的装甲板在瞄准线方向（LOS）上的厚度，尽管这在装甲车辆设计中并非直接考虑因素，但它在确定车辆的防护等级时却至关重要。水平放置的车辆的瞄准线方向厚度可通过一个简单的公式计算，该公式运用了余弦定理：它等于装甲的正常厚度除以装甲与弹丸运动方向（假设在水平面上）垂直角度的余弦值，或者：

$$T_L=\frac{T_N}{cos(\theta)}$$

其中

- $T_L$：瞄准线方向厚度
- $T_N$：正常厚度
- $\theta$：倾斜装甲板与垂直面的夹角

例如，倾斜角度为60度（与垂直方向成60度角）的装甲，对水平飞行的弹丸而言，其瞄准线方向上的厚度是装甲正常厚度的两倍，因为60度的余弦值为1/2。当装甲车辆的装甲厚度或轧压均质装甲（RHAe）值未考虑装甲倾斜角度时，所提供的数值通常会考虑倾斜角度的影响；而当数值以“x单位，y度”的形式给出时，则不考虑倾斜角度的影响。

## 偏转

即使面密度保持不变，倾斜装甲也能通过诸如脆性动能穿甲弹（KEP）破碎或穿甲弹偏离表面法线等机制来增强防护能力。当弹丸绝对重量较轻且相对于其宽度而言较短时，这些效应最为显著。二战时期的穿甲弹，尤其是早期的穿甲弹，就具备这些特性，因此倾斜装甲在当时相当有效。然而，到了六十年代长杆穿甲弹出现了，例如尾翼稳定脱壳穿甲弹，这类弹丸非常细长且质量密度很高。当击中倾斜的厚均质钢板时，这种长杆穿甲弹由于弹丸尾部起到杠杆作用，在初穿透装甲瞄准线方向厚度后，会向装甲法线方向弯曲，并沿介于装甲瞄准线方向厚度和法线厚度之间的路径行进。此外，变形的穿甲弹往往会像一个直径非常大的弹丸一样运动，这会拉伸剩余的装甲，使其更容易失效。如果后一种效应强烈——对于现代穿甲弹而言，倾斜角度通常在55°到65°之间——那么采用相同面密度的垂直装甲可提供更好的防护。另一个降低倾斜装甲原理重要性的进展是1970年代陶瓷装甲的出现。在任何给定的面密度下，陶瓷装甲垂直安装的效果也更好，因为保持相同的面密度需要装甲在倾斜状态下变薄，而由于陶瓷装甲法向厚度减小，更容易发生断裂。

倾斜装甲也会导致弹丸跳弹，但这种现象更为复杂，目前尚无法完全预测。对于长杆弹丸而言，高杆密度、冲击速度和长径比是导致临界跳弹角（即跳弹开始发生的角度）较大的因素，但不同的公式在相同情况下可能会预测出不同的临界跳弹角。

### 偏转的基本物理原理

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现实世界中弹丸及其撞击的装甲板的行为取决于多种因素和机制，包括材料结构和连续介质力学，这些因素和机制都难以预测。因此，仅利用几个基本原理无法建立一个能够全面描述所有可能结果的模型。然而，在许多情况下，大多数因素的影响可以忽略不计，而少数因素则主导着整个方程。因此，可以建立一个非常简化的模型，以提供对倾斜装甲设计中这些方面的基本物理原理的一般概念和理解。

如弹丸飞行速度极快，处于超高速状态，则装甲材料的强度可以忽略不计，因为冲击能量会导致弹丸和装甲熔化并表现得像流体一样，此时只有面密度才是重要因素。在这种极限情况下，弹丸撞击后会继续穿透，直到停止将其动量传递给目标物质。在这种理想情况下，只有动量、横截面积、密度和瞄准线方向厚度是相关的。高爆反坦克（HEAT）弹成形装药爆炸产生的穿透性金属射流，很好地近似于这种理想情况。因此，如果入射角不太大，且弹丸密度高、速度快，则倾斜角度的影响很小，不会发生明显的偏转。

另一方面，弹丸越轻、速度越慢，倾斜角度的影响就越显著。典型的二战穿甲弹呈子弹形状，速度远低于成形装药射流。撞击不会导致弹丸和装甲完全熔化。在这种情况下，装甲材料的强度就成为一个重要因素。如果弹丸非常轻、速度很慢，装甲的强度甚至可能导致撞击只造成弹丸的弹性变形，弹丸在未对目标造成损伤的情况下受到破坏。倾斜的装甲意味着弹丸需要达到更高的速度才能击穿装甲，因为撞击倾斜装甲时，并非所有动能都会传递给目标，具体比例取决于倾斜角度。弹丸在弹性碰撞过程中会发生偏转，偏转角度为2$\alpha$（其中$\alpha$表示装甲板表面与弹丸初始方向之间的夹角）。然而，方向的改变可以近似地分为两个阶段：减速阶段，弹丸在垂直于装甲板的方向上运动时停止（偏转约$\alpha$角后，弹丸将沿装甲板运动）；以及弹性加速阶段，弹丸加速冲出装甲板（由于摩擦力可忽略不计，沿装甲板的速度视为不变）。因此，装甲板累积的最大能量可以根据碰撞过程的减速阶段来计算。

假设仅发生弹性形变且目标为实心，忽略摩擦力，则很容易计算出当弹丸击中目标时，目标吸收的能量比例。如忽略更复杂的偏转效应，弹丸在撞击后会从装甲板上弹开（弹性情况）或沿装甲板滑动（理想化的非弹性情况）。

在这个非常简单的模型中，传递给目标的能量比例取决于弹丸的倾斜角度：

$E_d / E_k = {sin^2(\alpha)}$

其中

- $E_d$：传递给目标的能量
- $E_k$：弹丸的入射动能
- $\alpha$：倾斜装甲板与弹丸初始入射方向的夹角

然而，在实际应用中，穿甲弹的威力足以导致作用力达到塑性形变极限，而装甲板的弹性只能吸收一小部分能量。在这种情况下，装甲板会发生屈服，大部分能量和力都会因形变而消耗掉。因此，可以假设形变量约为实际形变量的一半（仅需$\alpha$，而非2$\alpha$），弹丸会在装甲板上留下凹槽，而不是被弹开。塑性表面摩擦力与塑性形变能相比也非常小，可忽略不计。这意味着上述公式原则上也适用于塑性形变的情况，但由于装甲板上存在凹槽，因此需要考虑更大的表面角度$\alpha$。

这不仅意味着传递给目标的能量将用于破坏目标，也意味着能量会更高，因为公式中的有效角$\alpha$大于装甲倾斜角。应代入的适当且实际的$\alpha$'值无法从这个简单的原理推导得出，只能通过更复杂的模型或模拟来确定。

另一方面，同样的形变与装甲板倾斜角相结合，也会产生一种降低装甲穿透力的效果。虽然塑性形变条件下的偏转较小，但它仍然会改变弹丸的轨迹，从而导致新装甲表面与弹丸初始方向之间的角度增大。因此，弹丸必须穿透更厚的装甲，虽然从绝对值上看，目标可能会吸收更多能量，它更容易弹开，理想情况下，这个过程最终会以完全跳弹告终。

## 历史应用

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倾斜装甲概念最早的文献记载之一列奥纳多·达·芬奇的战车设计图。倾斜装甲实际上在十九世纪早期的南方邦联铁甲舰（例如CSS弗吉尼亚号）上就已得到应用，并在第一次世界大战期间法国的第一辆坦克——施耐德CA1上得到部分应用。但真正完全采用倾斜装甲的坦克是法国的SOMUA S35以及其他同时期的法国坦克，例如雷诺R35，这些坦克的车体和炮塔都是整体铸造的。苏联哈尔科夫机车厂的坦克设计团队在米哈伊尔·科什金的领导下，将倾斜装甲更有效地应用于著名的苏联T-34战斗坦克。这在当时是为应对更高效的反坦克炮而采取的技术措施。

T-34坦克对二战时期德国的坦克设计产生了深远的影响。战前或战初期设计的坦克，例如四号坦克和虎I，与1941年后的坦克，例如豹式、虎II、追猎者、四号驱逐战车，猎豹式驱逐战车和猎虎式驱逐战车，有着明显的区别，后者都采用了倾斜装甲。这一点尤其明显，因为德国坦克的装甲通常不是铸造的，而是由焊接钢板构成。

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二战后，倾斜装甲风靡一时，其最纯粹的代表或许是英国的酋长。然而，最新的主战坦克采用格栅和复合装甲，这种装甲旨在使穿甲弹变形和磨损，而不是使其偏转，因为偏转长杆穿甲弹非常困难。这些坦克的外观更加方正。例如豹2和M1艾布拉姆斯。以色列的梅卡瓦是个例外。