FRPとCMC/MMCを用いた軍用車両向け装甲防御材の防弾性能評価
軍用車両の防御装備として装甲防御材にはFRPを含む複合材料を使うことがあります。
FRPが安定的に使用され、かつビジネスとして成立しやすいのが防衛産業であるという事実は、
良くも悪くもこの材料が積極的に使われている業界を示唆しているとも言えます。
今回はいずれも複合材料であるFRP、CMC、並びにMMC(Metal Matrix Composite)を用いた装甲防御材の、AEP-STANG 4569 Level4に基づく防弾性評価に関する以下の論文について概要をご紹介します。
なおComposite Science and Technologyは、
複合材料について良質な論文を多く掲載する国際科学誌の一つです。
Evangelos Ch. Tsirogiannis etal, Advanced composite armor protection systems for military vehicles:
Design methodology, ballistic testing, and comparison, Composites Science and Technology, 2024, 251, 110486
※全体を通じての留意点
論文中でも述べられていますが、防衛技術のため非開示の部分も多く見られます。
研究の動機は何か
研究の動機は防御性能を犠牲にせず、
「装甲防御材を軽量化できるか」
です。
軍用車両ですので、やはり機動力が求められる。
そこにおいて同じ防御性能であれば軽いほうが求められるのは自然でしょう。
評価対象となる3種類の装甲防御材は総重量を概ね合わせており、
また減量についての言及も複数なされています。
MMCとは
FRPを含む複合材料はマトリックスの種類として以下の3種類に分類されます。
PMC: Polymer Matrix Composites
MMC: Metal Matrix Composites
CMC: Ceramics Matrix Composites
上記の通りMMCはMetal Matrix Compositeの略で、
マトリックスが金属の複合材料を示しています。
MMCの一例として、過去にもご紹介したことがあります。
※関連コラム
軍用車両の装備規格の概要
装甲防御材の防弾性能評価にはAEP-STANG 4569のLevel4を採用したとの記述があります。
AEP-STANG 4569というのは北大西洋条約機構（NATO）加盟国によって制定された規格STANGの一つです。
STANGの番号とタイトルは以下のサイトで見ることができますが、
防衛関係の情報のため中身は見ることができないようです。
NATO STANSARDIZATION OFFICE/Promulgated Standards
STANG 4569とは
STANG 4569は
“PROTECTION LEVELS FOR OCCUPANTS OF ARMOURED VEHICLES – AEP-55 EDITION D & AVPP-01 EDITION B & AVPP-02 EDITION A”
というタイトルのようです。
この規格はLevel5まであり、Level4というのは200m距離から911m/secの弾速で、B32というマシンガンにより直径14.5mm、薬莢長さ114mmのAPI（Armour Piercing Incendiary）という、貫通させることを主目的とした焼夷弾に対する防弾性能を評価する規格のようです。
※参照情報
NATO AEP – 55 STANAG 4569
軽装甲機動車や同輸送車の装備を想定しています。
日本の自衛隊も最近軽装甲機動車の世代交代を進めるようで、
GDELS EAGLE や THALES HAWKEIいう車両が候補のようです。
※参照情報
次期LAVの座はどちらに？ 陸自軽装甲機動車後継候補 イーグル vs ハーケイ
装甲防御材の概要
評価対象である装甲防御材は興味深い構成です。
想像したよりも複雑という見方もあります。
弾丸の先端を破壊してエネルギーを分散させ、
それを塑性変形しながら貫通までの時間を引き延ばしつつ、
装甲防御材全体としては弾性変形とすることで形状回復をする、
というのがコンセプトです。
弾丸の先端を粉砕することを主目的とする層を薄めに、
塑性変形で衝撃を吸収する層を厚めにするのが設計の基本となっています。
4層で構成されている
Face-sheet、Strike-face、Intermediate layer、Backplatesの4層で構成されています。
それぞれについて簡単に述べます。
構成材料については、以下の引用文献の方が情報が多かったため、
そちらを参照しました。
Face-sheet
最外層であり、最初に弾丸を受け止める層となります。
マトリックス樹脂は室温硬化であること、
主剤と硬化剤の比率が100：30であることしか述べられていません。
強化繊維は炭素繊維61wt%、アラミド繊維39wt%の混合繊維で、
積層構成は0°/90°と-45°/+45°を対称積層しています。
この層の役割は防弾はもちろんですが、
それよりも直下にある第二層のStrike-faceの形状維持を主たる役割としています。
加工にはウォータージェットを使っているようです。
恐らくですがアラミド繊維があるため、
マシニングでの加工は難しいものと推測します。
Strike-face
第二層で炭化ホウ素（B4C）からなるセラミックです。
B4Cは大変硬度が高いことから、
弾丸がFace-sheetを貫通してきた後、
その弾丸の先端を粉砕するのが役割です。
六角形で成形し、それをタイルのように組み合わせてStrike-faceとします。
B4Cの粉末を高温高圧で焼結し、その後、放電加工で形状を整えます。
特に厚みを合わせることで、他の層と接着する際の接着層厚みを均一にするのが重要とのこと。
小さなタイルの組み合わせにすることで、衝撃を受けた際の破損が、
広範囲に広がるのを防いでいます。タイル同士は接着すると書かれています。
用いられている接着剤はアクリル接着剤です。
Intermediate layer
Ultra-high molecular weight polyethylene（UHMWPE、超高分子量ポリエチレン）を強化繊維とし、
マトリックス樹脂はポリウレタンです。
塑性変形をしながら弾丸による衝撃を吸収することで、
Strike-faceの貫通するまでの時間を引き延ばして衝撃緩和をすると同時に、
焼夷弾による出火を防ぐことを主たる役割としています。
Backplates
Backplateは複層構造である装甲防御材の構造維持部材の位置づけで、
弾性変形をすることで衝撃に伴う変形を受け止めながら、
多層構造を維持するというのが役割です。
今回取り上げる冒頭で述べた文献では複数種の材料を評価しています。
鋼鉄、A6082、A2024/CNT(Carbon Nano Tube）の3種類です。
ここでいうCNTは multi-walled carbon nanotubesとのことですので、
いわゆる多層カーボンナノチューブです。
金属とCNTを一体化したA2024/CNTは、
マトリックスがA2024、補強材（添加材）がCNTなのでMMCになります。
今回取り上げる文献では、
このBackplateの材料の違いが、
防弾性能にどのような影響を与えるか評価しています。
MMCの作製法
不活性ガスであるAr環境下で、
アルミをボールとしてCu、Mg、Mnを、
それぞれ4、1.3、0.5wt%相当の粉末を添加した上でボールミルで混合し、
A2024合金粉末を作製します。
その後、A2024金属粉末にCNTを添加し、
最大5000kNの荷重、最高750℃の温度をかけることで、
CNTをA2024中に分散させた平板材を作製します。
これがMMCです。
この手法で作られたMMCは、CNTの凝集が無いということが、
光学顕微鏡で確認できたと述べられています。
装甲防御材の仕上げ
既に述べた通り、装甲防御材は4層から構成されています。
これらの層は接着によって一体化していますが、
そこに用いられているのもStrike-faceのタイル接着同様、
アクリル接着剤と書かれています。
弾丸が最初に当たる表層には軍事車両用の緑の塗装をするとのことです。
防弾性能試験
評価対象は前述の基本構成である装甲防御材であり、
Backplatesのみが鉄鋼、A6082、A2024/CNTとそれぞれ異なっています。
試験片の厚みや重量などの基本情報は、
冒頭で紹介した文献のTable1から3に記述があります。
概要図は同文献のFig.12に示されています。
ハイスピードカメラで弾丸が当たった際の挙動に加え、
その後ろにWitness plateというものが設置されており、
貫通したものがあればそれを確認できるようになっています。
すべての試験において、弾速はAEP-STANG 4569での規定よりも早い929から935m/secであることから、十分なエネルギーを供試体に提供できたという理解で問題ないと考えます。
防弾性能試験の結果についてみていきます。
防弾性能試験後の装甲防御材破損形態
Backplatesの材質ごとに述べます。
Backplatesが鉄鋼の場合
弾丸は貫通しなかったとのことです。
総厚みが27.55mmの試験片に対し、
弾丸が貫通してきたのは20.44mmまでだったようです。
Backplatesの厚みが7.11なので当該層まで弾丸が到達しなかったと述べられています。
弾丸が当たった逆側面では11.12mmの変形が見られ（ハイトゲージで計測。以下同様。）、
さらに他のBackplatesのものと比較し最もFace-sheetの損傷が大きかったようです。
この説明として論文中のFig.14(a)に画像が掲載されています。
黒色のためカラーで見てもわかりにくいかもしれませんが、
他の画像と比較した際、黒色に見える部分が損傷した箇所で、
それ以外は塗料の緑色であると考えます。
これを見ると、当該試験片は全面が損傷しているのが分かります。
この結果を踏まえると、
これ以上の軽量化（現重量：4.08kg）は困難だろうと論文執筆者は言及しています。
BackplatesがA6082の場合
こちらは後述する高速度カメラでの結果から、
微小な貫通を疑わせる事象が確認されています
弾丸は初期厚み40.19mmに対して35.11mmまで到達しています。
Backplatesの変形も大きく、一部クラックも生じています。
外観写真は論文中のFig.14のdに示されています。
この試験片の破壊形態の特徴は、
第二層であるStrike-faceが層間方向に剥離していること。
論文中では特に述べられていませんが、
この剥離によって層間構造が崩れ、
全体としての剛性が低下したと考えます。
そのため本来四層で弾丸を受け止めるべきが、
防弾性試験の終盤で第二層が剥離することで、
「第三層と第四層のみで弾丸を受け止める」
という状況になり、Backplatesが大きく変形したものと考えます。
この変形量は11.31mmです。
変形が大変大きかったため、
試験片をクランプしていた右上の部分が破損しています。
これは論文中Fig.14(c)で確認できます。
当然、この試験片もこれ以上の軽量化（現重量：4.13kg）は無理との判断になっています。
BackplatesがA2024/CNTの場合
微小な破片が貫通したとのことです。
その一方で弾丸の多くは初期厚み38.33mmに対して、
33.95mmで止まっていると書かれていますが、
微小とは言え弾丸が貫通したのは事実と私は解釈しているため、
後半の記述はあまり重要でないと理解しています。
実際Fig.15(c)の画像を確認すると、
微小破損したように見えます。
・着弾後の変形はFRPとCMCで構成される第一層、第二層の破壊が寄与
破壊形態として最大の特徴は、
Backplatesの変形の小ささです。
他のBackplatesを用いた場合は、
その変形量が11mmを超えていましたが、
A2024/CNTの場合は6.27mmと約半分に抑えられています。
複合材料の防弾特性の基本である、
「自分が壊れてエネルギーを吸収する」
ことがうまく機能したようです。
他のBackplatesのものと比較して、
Face-sheet、Strike-faceの第一層、第二層が大きく破損したとのことです。
それぞれFRPとCMCですので、複合材料がうまく防弾性能を発揮したとみるべきでしょう。
変形が抑えられたということは弾性変形が大きかったとも言えます。
そのため、装甲防御材を固定していた治具の破損が認められ、
着弾による衝撃が面内方向に広がったという解釈ができます。
A2024/CNTをBackplatesとした装甲防御材は、
唯一4kgを切っていますが（現重量：3.91kg）、
軽量化”だけ”をいうのであれば、
これ以上の議論は困難ではないかと私は考えます。
ただ論文執筆者は、
この結果は重量の下限を示した重要な結果であり、
継続した研究開発が必要との意見を言いたいようです。
防弾性能試験のハイスピードカメラ画像
こちらも同様に見ていきます。
該当する画像はFig.16から18ですが、
緑色の矢印がWitness plates、黄色の矢印が装甲防御材の固定治具を示しています。
時間経過に伴い、画像がaからcに変化します。
弾丸は画像中の左側から着弾しています。
Backplatesが鉄鋼の場合（Fig.16）
表層側は画像ではうまく見えませんが、
第一層、第二層のFRPが破損して前面に破片が飛び散る、
という状況が確認できたとのこと。
途中の変形はそれなりに大きく、
固定治具の変形も見られますが、
最終的には元の形に戻る弾性変形です。
前述の通り、試験後は10mmを超える変形がありましたが、
それでも高い復元力を示したことが分かります。
Witness platesに到達したものはなかったこともあり、
防弾性能はよかったと判断できます。
BackplatesがA6082の場合（Fig.17）
着弾直後からその逆面に微小な破片の発生が認められたとのこと。
Fig.17(b)ではより大きな破片が映っています。
これは第二層のCMCの破片とのことです。
貫通したのではなく、後ろに飛んだ挙動を示しているとの記述があります。
最終的にはBackplatesの変形と同時に、
微小な破片が貫通しており、
Witness platesに大きな穴が開いたとのこと。
ハイスピードカメラの画像から防弾できていないことが明らかとなったため、
この装甲防御材は不合格との判断がなされています。
前述のBackplatesのクラックは致命的だったことが分かります。
BackplatesがA2024/CNTの場合（Fig.18）
この装甲防御材も着弾と同時に変形し、
しかしその変形がかなり大きかったようです。
結果としてFig.18(b)に示されるように固定治具が破損しています。
Backplatesが塑性変形ではなく、
弾性変形することで着弾時の変形が治具に到達したためと考えます。
CNT添加によってA2024の剛性や靭性が高まったことが主因であり、
MMCという複合材料化によって防弾性能で重要な、
「塑性変形を防ぐ高剛性化/高靭性化」
を実現したものと考えます。
保持システムの強化が必要
私はこの結果を見て、
装甲防御材の弾性変形に耐えうる保持システムが重要と考えています。
論文中では本観点は重要でないと書かれていますが、
防弾性能試験で用いた保持治具が損傷したことを踏まえ、
どのようにこの事象を防ぐかという考え方も必要です。
きちんと保持できなければ、
衝撃の一部を治具が破損することによって吸収することとなり、
純粋な装甲防御材の評価にならないからです。
最後に技術的なポイントを述べます。
MMC添加による機能発現メカニズム
Backplatesの構成材料の一つであるA2024/CNTでは、
確かに金属合金単体よりも高剛性/高靭性を実現しています。
しかし論文中では”なぜそうなったのか”に関する、
推測や議論展開がなされていません。
Composite Science and Technologyのような質の高い国際科学誌としては、
詰めが甘いと感じます。よく査読が通ったとも言えます。
防衛関係なので許されたのかもしれませんが、
学術界も技術業界の一つである以上、
もう少しきちんと考察を展開すべきと感じています。
私個人としてCNTを添加したMMCにした動機は、
「CNTの添加により、外部から与えられたエネルギーを熱エネルギーへの変換を促進する」
ことにあると推測しています。
複合材料は機械的に分離可能な複数材料で構成されていることから、
構成材料間に”界面”が存在しています。
このような界面が存在する材料が、
面外または面内に変形しようとする際に生じるのが”摩擦”です。
この摩擦が起こることで摩擦熱が発生し、
金属のように熱伝導率の高い材料では外部に熱を発散できるのではないか、
と考えています。
当然ながらCNT添加により剛性が上がるのは間違いありませんが、
どちらかというとMMCにすることで意図的に界面を構造組成内に構築し、
その界面で変形を熱に変換するということを狙うのが設計コンセプトだと思います。
複数の弾丸が着弾した場合
これは論文中でも触れられていますが、
実際に使用される状況での着弾が一発とは限りません。
特に今回の評価対象である弾丸はマシンガン向けであるため、
複数の着弾に耐えられるのかについて考える必要があります。
今回ご紹介した防弾システムのポイントは、以下の4点です。
- 第一層にあるFRPで弾丸速度低下
- 第二層のCMCで弾丸の先端を粉砕
- 第三層でエネルギーを分散
- 第四層であるBackplatesで受け止める
第一層と第二層にあるFRPやCMCが防弾性能を発現するために行う挙動が
「自らの破壊」
です。材料自らの破壊により発生したエネルギーを吸収（発散）しているのです。
つまり、不可逆現象です。
一度破壊すると元に戻りません。
一発目はいいでしょう。
では二発目が来た時にどうなるかといえば、
既に破壊したFRPやCMCにはそれを受け止める力は残っていないのです。
複層構造にする理由の一つには、
実は上記も念頭にあるのではと推測しています。
層構造にすることで、衝撃を面内方向に拡散できるからです。
できる限り面内でイベントを終結させ、層間への影響を最小化する狙いがあります。
いずれにしても、防弾性能を高めるというのは簡単なことではありません。
平板形状にこだわらない
これは個人的な考えですが、平板形状にこだわる理由は全くないと思います。
表面に文様のような形状をつける、場合によってはエンボス、デボス形状を付与させるだけでも、
弾丸着弾時の変形挙動が変わる可能性があります。
さらに言えばピラミッド形状のような外に張り出したような形にすることで、
着弾時の面外方向の荷重伝達メカニズムが変わるかもしれません。
構造設計は形状設計の側面もあります。
均質材の設計思想にこだわらず、
異方性を考慮した構造設計を行うという考え方が重要である、
という点はここでも同じだと思います。
まとめ
防衛産業に関する技術は閉鎖的なものが多く、
今回の論文のようにある程度情報が開示される例は珍しいかもしれません。
FRP/CMC/FRP/Metal or MMCという複層構造で防弾機能を高めるというのは、
実戦配備されているものと異なるかもしれませんが、
少なくとも想像していたよりは複雑な材料構成と感じています。
結局のところ、BackplatesでいえばMMCよりも鉄鋼が最も防弾性能がいいというのも、
FRPはじめ複合材料単体では成立しないものが世の中には多いことを示しているともいえるでしょう。
一方でFRPだけでなく、CMCやMMCと組み合わせるといった、
複合材料という視点を持ちながら材料構成を考え、
最終的な構造設計や機能材設計を行うというのが不可欠といえます。
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