满足军用背负式系统材料选型研究

沈怡，赵宇，徐伟杰

(中国电子科技集团公司第三十六研究所，浙江 嘉兴 314000)

1 引言

当今社会，现代化军事战斗中单兵作战显得尤为重要，所以每个国家都很重视单兵装备的问题,发展先进的个人防护装备和作战背负装备对士兵的自身安全有着重要的意义。提升背负式系统的体验和效能不仅仅需要结构设计上的改进，在材料选型上，也需要慎重考量。选用材料的质量、特性、型号等都与背负式系统成品密切相关。目前，针对背负材料，何健[1]提出了一种新型的导湿排汗系列功能面料。朱广州，孙恩乐，柴丽芳[2-3]在旅行背包轻量化设计方面的研究，同样给予了军用方向的借鉴意义。本研究的主要目标是，以人机工程和材料性能参数为设计出发点，结合我军背负式产品材料选型现状和国外先进背负式产品材料选型的优点，研究出优化版适应我军单兵作战背负式系统的选料选型配比，为后续的我军背负式材料选型提供方向和基准。

查阅参考国军标：GJB 4004-2000 陆军装备变形迷彩图册、GJB 2873-1997 军事装备和设施的人机工程设计准则和GJB/Z 85-97 缓冲人机造型产品设计手册后可知，现国军标要求携行装具[4-5]要采用轻质防水、防霉、不反光的材料制作，外表要求和设备涂覆色相同。背负装备包括背架系统和背带系统，考虑重心，进行受力部位的防护。

结合背负式装备调研情况和国军标的相关要求，军用背负式系统材料需要解决的问题如下：

(1)常用的普通背架材料为金属钢管，造型折弯以贴合人体背部曲线存在困难，造成背架整体重量重和背负不舒适感；

(2)市场现有的背架或国外的摩尔背架，因主体材料选型的局限性导致无可配套通用的快速组装部件，使用不便捷；

(3)配合背架共同组成背负式系统的背带系统，材料选用没有统一性和规范性，造成产品使用寿命、军用迷彩图样、民用图样规范等方面的混乱性。

2 军用背负式系统材料现况分析

2.1 背架材料

根据市场调研及竞品分析，发现碳纤维材料是今后背架的主选材料，其强抗拉力和纤维柔软可加工性的两大特性可完全满足制作新型便携背架的要求，可极大程度的降低背架自身的重量，并且满足相关贴合人体设计的需求设计。碳纤维类别有T400，T800，T1200，如表1所示。

表1 背架碳纤维类材料设计参数

2.2 背带材料

2.2.1 织带

不同的织带使用寿命、防水、防火效能都存在不同的差异，目前主选背带材料为高强度尼龙编织带和丙纶阻燃编织带，如表2，表3,见图1，图2。

表2 高强度尼龙织带材料设计参数

图1 高强尼龙织带

图2 丙纶阻燃编织带

2.2.2 背带填充材料

作为肩带，腰部衬垫等方面的内部填充材料，EPE、XPE、IXPE、丙纶阻燃编织带高发泡内衬材料优势突出，见图3,4,5,6，及表4，5，6，7：

表4 EPE材料性能参数表

图3 EPE

续表5

撕裂强度KN/m 横向≥6≥2.5≥1.5GB/T10808 纵向≥6≥2.5≥1.2压缩永久变形(%)23℃±2℃,22h≤5≤8≤10GB/T6669吸水率(%)23℃±2℃,24h≤0.3≤0.4≤0.5GB/T8810导热系数(w/m·k)≤0.073≤0.055≤0.045GB/T10297

图4 XPE

图5 IXPE

图6 高发泡内衬材料

2.3 迷彩布料

背包或者附包的迷彩面料也有严格的要求见图7，需要一定的防水性、阻燃性、耐磨性等要求，设计参数见表8。

表8 优质迷彩布料设计参数

图7 林地迷彩(棉55%涤纶35%)

3 材料选型实验

3.1 实验方法

(1)实验一：将新型碳纤维背架放入振动台，分为自重状态a，背负同样重物固定点在背架状态b和在支架c状态三个状态进行受力实验和静力计算。记录相应的最大位移和最大受力。得出最大的承重量。

(2)实验二：将工程塑料制成的美军摩尔背架、铝合金材料制成的南非背架与此款新型碳纤维背架进行基本性能测量和承重极限测试。型号规格如图8所示：

图8 工程塑料背架、铝合金背架、碳纤维背架

(3)组织10名健康成年男性，负荷重量20KG，分为甲组和乙组，每组5人。甲组背负新型对象A系统，乙组背负传统对象B系统，两队模拟作战行军速度，2小时后，询问背负感受并拍照记录甲、乙组实验者肩、腰、背等受力部位的情况，观察有无勒痕，红印。休息半小时后，甲乙组交换背负装备，同样速度行走两小时后，同样的询问实验者感受和拍照记录实验数据。

3.2 实验结果

实验一中，将新型碳纤维T800背架进行受力实验和静力计算后数据如表9所示。

表9 碳纤维背架静力实验分析

实验二的数据结果如表10所示：

表10 三种背架材料实验分析

针对背架材料使用和背负材料例如背带，织带的用户体验实验，根据询问主观感受记录情况，可以看到，背负对象A系统的甲组队员，背部、肩部、颈部的勒痕均浅于背负对象B系统的乙组队员，整体背负感受也更为轻松轻便。在甲乙组交换背负对象后，组员感受更为突出，碳纤维背架的轻便和人机设计很好的缓解了重物的压迫感。

4 讨论

从实验一的结果可以看出，背架上的最大变形有0.4 mm，最大应力有98.2MPa，根据厂家提供的碳纤维材料性能参数表1所示，T800H型号的抗拉强度可以达到5490MPa，背架有较高的安全性能，但厂家所给出的抗拉强度并不是该背架成型后的数据，仍会有一定的偏差，特别是交接处，会有相应的减弱。故本文从理论角度来说，该背架有较好的强度，可以承受55kg的重物。进一步的，可以获知T800及以上的碳纤维材料也符合背负要求，性能优势更加的突出，在批量生产的同时，价格劣势会得到缓解。

实验二针对三种材料制成背架的可塑性和基本性能比对，可以看出，新型碳纤维背架材质轻便解决了传统金属背架自身质量大的痛点。也易于造型模具化开模批量化生产，设计出符合人机工程、通用化的要求的背部贴合弧线，使用舒适度、美观性优势更突出，可搭载形式更加的丰富。

用户体验中，对象A选用了高强度尼龙作为肩带、腰带以及连接带的构成，EPE作为填充物。确定定量和变量因素后，将对象A和对象B进行的用户体验，结果为对象A系统优于对象B。可以知道丙纶编带可完全替代高强度尼龙，有防火需求时，阻燃优势更为突出。而对于填充物而言，高发泡材料和EPE、XPE、IXPE相比，在背负体验上稍微逊色。至于布料的选用，林地迷彩的图样为军方标准样式，其次从表8中看到该林地迷彩在经纬度拉扯承重方面优势突出，可使用寿命高。此外，他们均符合GJB 4004-2000 陆军装备变形迷彩图册中耐磨性能、防水性能和力学性能的要求。

综上所述，结合金鑫、任蕊,弓太生[6-10]等关于各材料使用的研究和旅行背包背负舒适性的研究可以得出以下结论：

背架采用新型碳纤维材料较好，实验用的碳纤维T800即可满足需求，结合理论可得，T800以上的碳纤维材料也满足需求；针对背负系统的肩带选择，高强度尼龙织带可满足，若有防火要求则丙纶织带更佳；采用的该林地迷彩承重佳，使用寿命长，可为军方使用；填充物则EPE、XPE或IXPE的性能更为突出。

表11 军用背负装备材料选用推荐表

所列材料皆有实验性能参数，各具优势，选择时根据所需，搭配组合使用，见表11。

5 结论

本实验主要以现代化单兵作战背负装备为基础，探讨研究其背负装备的材质选择优化统一方向，提出了军用背负式系统材料选用的建议，为后续的我军背负式材料选型提供规范和基准。