不僅是擊穿10層鋼板

希弦

近日，央視節(jié)目《加油向未來》第3季開播。在第一期節(jié)目中，欄目組走進(jìn)中國(guó)兵器西北工業(yè)集團(tuán)的試驗(yàn)場(chǎng)，帶領(lǐng)觀眾目睹了國(guó)產(chǎn)105mm穿甲彈的威力。這種炮彈擊穿10層鋼板，通過高速攝影、慢鏡頭回放，場(chǎng)面十分震撼。然而，為什么穿甲彈可以穿透這樣多的鋼板，畫面中又有那些穿甲彈技術(shù)的細(xì)節(jié)值得軍迷仔細(xì)品讀。請(qǐng)看本文。

矛與盾對(duì)抗中的發(fā)展歷程

從理論上說，對(duì)裝甲目標(biāo)的殺傷手段分為動(dòng)能殺傷的“穿甲彈”與“化學(xué)能”聚能裝藥戰(zhàn)斗部的“破甲彈”。而前者在矛與盾的對(duì)抗中是最悠久的。它靠“彈”的巨大的動(dòng)能來撞擊目標(biāo)造成穿透、毀傷。穿甲彈的發(fā)展歷程，大概經(jīng)歷了從最初的尖頭穿甲彈到“被帽穿甲彈”，歷經(jīng)結(jié)構(gòu)革新的“次口徑化”的“高速穿甲彈”或稱“硬芯穿甲彈”，之后在此基礎(chǔ)上的次口徑“脫殼化”的“旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定脫殼穿甲彈”，以及今日最主流的“尾翼穩(wěn)定脫殼穿甲彈”幾個(gè)階段。

上世紀(jì)60年代初，蘇聯(lián)在T-62坦克的115mm滑膛炮上率先配用了尾翼穩(wěn)定脫殼穿甲彈。隨后西方國(guó)家通過設(shè)計(jì)雙層塑料密封彈帶，有效減少了飛行彈體的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而讓北約大量列裝的線膛炮上也可以使用尾翼穩(wěn)定脫殼穿甲彈。而同時(shí)代的馬鞍型彈托、小尾翼的設(shè)計(jì)，也使尾翼穩(wěn)定脫殼穿甲彈飛行阻力更小、射擊精度更高。

尾翼穩(wěn)定脫殼穿甲彈由彈丸和裝藥部分組成。彈丸由飛行部分和脫落部分組成。飛行部分一般由風(fēng)帽、穿甲頭部、彈體、尾翼、曳光管等組成。脫落部分一般由彈托、彈帶、密封件、緊固件等組成。裝藥部分一般由發(fā)射藥、藥筒、點(diǎn)傳火管、尾翼藥包（筒）、緩蝕襯里、緊塞具等組成。

尾翼穩(wěn)定脫殼穿甲彈，彈頭不是尖的？

節(jié)目提出了一個(gè)選擇題：“哪種形狀不適用于穿甲彈的彈頭設(shè)計(jì)”？節(jié)目中給出的選項(xiàng)A為“半球形”；B為“截錐形”；C，尖頭形。大家的討論頗多。我們從照片上看到的穿甲彈，其彈體最前端都是尖尖的。然而節(jié)目給出的答案卻與“常識(shí)”相反——最不適合做穿甲彈的彈頭設(shè)計(jì)就是尖頭形。

那么為何尾翼穩(wěn)定脫殼穿甲彈最前部都是尖的？這是因?yàn)槲惨矸€(wěn)定脫殼穿甲彈與其它類型穿甲彈一樣，都少不了錐形的風(fēng)帽來優(yōu)化彈體最前部的氣動(dòng)外形，減小飛行阻力。所以，節(jié)目上展示的穿甲彈在去掉了風(fēng)帽后，下面的“彈體”（亦通稱為“彈芯”、“侵徹體”）頭部形狀可能就不是尖頭形了。

尾翼穩(wěn)定穿甲彈風(fēng)帽的下面其實(shí)是鈍頭的彈體。彈體的前端還有多個(gè)“穿甲塊”，像一個(gè)一個(gè)小臺(tái)階。這樣的結(jié)構(gòu)是早期穿甲彈在設(shè)計(jì)上的慣例。將“穿甲塊“作為彈體的頭部，更利于對(duì)付間隙裝甲、復(fù)合裝甲。節(jié)目中所展示的半球形頭部，即彈體的前端車制成了半球形，對(duì)穿透均質(zhì)裝甲板是有利的。而截錐形的彈體頭部在著靶時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)轉(zhuǎn)正力矩，不容易發(fā)生跳彈，有利于侵徹斜置的均質(zhì)裝甲。

對(duì)比截錐形、圓形，尖頭形的彈體在面對(duì)有一定傾斜角度的裝甲時(shí)，更可能發(fā)生跳彈現(xiàn)象。但這不是否定穿甲彈的“尖頭外觀造型”，而且其它形狀的彈體對(duì)斜置裝甲的侵徹也不是“穩(wěn)穩(wěn)”的。

穿甲彈在著靶時(shí)，彈體會(huì)受到靶板一個(gè)不通過彈體質(zhì)心且不對(duì)稱的阻力，它對(duì)彈體質(zhì)心產(chǎn)生了一個(gè)翻轉(zhuǎn)力矩。這正是產(chǎn)生“跳彈”現(xiàn)象的根本原因。決定這個(gè)翻轉(zhuǎn)力矩的因素，既與穿甲彈的彈頭結(jié)構(gòu)/形狀有關(guān)系，也與命中角/著靶姿態(tài)、入射速度/著靶比動(dòng)能、被侵徹介質(zhì)的性質(zhì)及其摩擦力等多方面因素息息相關(guān)。

不論是靶場(chǎng)試驗(yàn)，還是結(jié)合有限軟件的仿真模擬都能得出：穿甲彈的彈體，不論是何種形狀，如果著靶角度大于一定值都會(huì)發(fā)生“跳彈”。只是當(dāng)小于這個(gè)閾值時(shí)，尖形彈丸跳彈的可能性才比圓形頭部彈丸與截錐形頭部彈丸大。當(dāng)著靶角度小于某個(gè)閾值時(shí)（極端情況就是0°的垂直入射），不論穿甲彈頭部是何種形狀都不會(huì)發(fā)生跳彈，都能完成對(duì)裝甲的侵徹。

節(jié)目中提出的3種形狀穿甲彈頭部中，截錐形更不容易發(fā)生跳彈。節(jié)目中解釋：截錐型彈在著靶瞬間彈體尾部會(huì)上翹（著靶角度減小了），也就產(chǎn)生了“轉(zhuǎn)正力矩”來“對(duì)抗”彈丸的翻轉(zhuǎn)力矩。這是因?yàn)榻劐F形頭部結(jié)構(gòu)的穿甲彈產(chǎn)生的轉(zhuǎn)正力矩是最大的，而尖頭形的幾乎沒有轉(zhuǎn)正力矩，這就有更大可能發(fā)生跳彈現(xiàn)象。

每種彈體頭部形狀（結(jié)構(gòu)）對(duì)于不同靶板都有著不同的穿甲效果。在《桿式穿甲彈頭部形狀對(duì)威力的影響》文獻(xiàn)中指出，穿甲效果的體現(xiàn)是“彈道極限”。這個(gè)專業(yè)術(shù)語通俗理解就是擊穿靶標(biāo)的最小速度。它的數(shù)值越小，性能越好。由此可見節(jié)目中的截頭式在性能表現(xiàn)上兼有半球形和穿甲塊式的特點(diǎn)，而外觀造型看著卻是尖尖的。

10層鋼板的門道

節(jié)目中另一亮點(diǎn)，是105毫米尾翼穩(wěn)定脫殼穿甲彈擊穿了10層鋼板。雖然主持人聲稱，裝甲板共有10厘米厚。但從多角度來看，筆者是無法贊同的。因?yàn)殇摪逵兄潭ㄓ玫目蚣?，真?shí)厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于這個(gè)數(shù)值。而此次演示尤為值得細(xì)觀之處在于難得一見的穿甲彈的穿甲后效、對(duì)鋼板侵徹破壞過程的直觀展示。

尾翼穩(wěn)定脫殼穿甲彈對(duì)裝甲的破壞，一般認(rèn)為屬于“破碎穿甲”。這個(gè)過程中，彈體一方面破碎，另一方面在穿過裝甲。演示中，彈體在與第一層鋼板接觸時(shí)，著靶速度是非常高的，撞擊所產(chǎn)生的壓力鐵定達(dá)到了10MPa。因此觀眾能看到，第一層鋼板兩面都是無凸起、無翻邊，穿孔邊緣可見完整的彈體尾翼形成的彈痕。這是標(biāo)準(zhǔn)的剪切破壞。

在后續(xù)的穿透多層鋼板的過程中，彈孔周圍開始出現(xiàn)了熔痕、翻邊（花瓣型破壞），孔徑變大、彈孔周圍出現(xiàn)淺坑、多個(gè)小彈孔等現(xiàn)象。這是在穿甲的過程中，侵徹鋼板后的擠壓、變形彎曲，以及破裂、拋出，彈孔的孔徑被擴(kuò)大了。鋼板的碎屑與變形、破碎的彈體向著側(cè)面、后面的鋼板上飛濺，從而在鋼板上留下淺坑、孔洞等痕跡。彈體穿過裝甲造成的“后效”的飛濺物在坦克車體內(nèi)飛濺，對(duì)人員和車載設(shè)備帶來致命的“二次毀傷”。另外，通過演示也可以看出，多層裝甲、間隙裝甲，對(duì)動(dòng)能穿甲彈是多么的“無能為力”。

穿甲能力由何而來

根據(jù)沖擊理論，彈丸對(duì)靶板的侵徹深度L可近似寫為：L= αθ mvc2/ d2。式中m是彈丸質(zhì)量；vc是彈丸著靶速度；d是彈丸直徑；αθ是系數(shù)。

由上式可見，欲提高穿甲的侵徹深度，必須增加mvc2/d2項(xiàng)的數(shù)值，也就是彈體單位橫截面積上的動(dòng)能，在物理上這被稱為“比動(dòng)能”。為了提高穿甲彈的比動(dòng)能、提高穿甲彈的著靶速度，可采用的措施包括：加長(zhǎng)火炮身管長(zhǎng)度（提高口徑比），提高火藥能量，進(jìn)而提高膛壓。在火藥能量的提升上，尤為值得一提的是“低溫感發(fā)射藥”（涂覆火藥）。節(jié)目中受訪的王澤山院士就與此相關(guān)。

2018年榮獲國(guó)家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)的王澤山院士是我國(guó)火炸藥領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物。1996年他就憑借低溫感含能技術(shù)，摘得了國(guó)家技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)。這項(xiàng)成果也有過公開報(bào)道，在某125毫米坦克炮上的應(yīng)用非常成功。另外，在1993年和2017年王澤山院士還有科技成果獲得了國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。他因此也是國(guó)內(nèi)為數(shù)不多摘得國(guó)家級(jí)科技大獎(jiǎng)桂冠的“三冠王”。

傳統(tǒng)的穿甲彈發(fā)射藥，在常溫15℃情況下發(fā)射，其膛壓與初速是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。在高溫50℃情況下，發(fā)射藥的燃燒速度會(huì)變快，膛壓會(huì)升高。這個(gè)增量至少在15%左右。在低溫的情況下，其燃速又會(huì)降低，膛壓就變低了。由此穿甲彈的初速就因?yàn)闇囟鹊淖兓舷赂?dòng)。危險(xiǎn)的是，坦克炮允許的最大膛壓是限定條件。如果因?yàn)橥饨鐪囟壬?，造成坦克炮的膛壓高于安全值，就可能出現(xiàn)故障，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)炸膛。

因此，為了使高溫下的火炮膛壓不超過最大膛壓，勢(shì)必要把常溫膛壓降低。這也就降低了常溫下的穿甲彈的炮口初速。而低溫感發(fā)射藥對(duì)穿甲性能的意義便不言自明。只要能使高溫下膛壓增量不大于5%或者更低，則相應(yīng)的常溫膛壓可提高10%或者更高，這將大幅度地提高常溫和低溫下穿甲彈的炮口初速。