深度解析:尾翼稳定脱壳穿甲弹威力恐怖,起作用的是哪些因素?

APFSDS的恐怖威力

现代的穿甲弹已经可以做到,非坦克主装甲不能防御,主装甲不隔上个1000米以上也没法防御的程度。运气好点甚至可以做到把坦克打个对穿。而穿透过程中,高速高温的金属熔渣可以造成坦克舱室形成高温和超压的环境,让坦克内部变成人间地狱。随便贴几张图就知道了。

尾翼稳定脱壳穿甲弹威力这么恐怖,有哪些因素影响了它的穿深?

我国105mm坦克炮打靶测试,一共打穿了10层

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韩国K2坦克打穿的斜板剖面

再来看看实际战例。一辆海湾战争中被彻底击毁的T-72,一枚从M1坦克射出的M829穿甲弹从右侧射入,左侧射出,穿透过程中造成了T-72的殉爆,炮塔已经被掀掉了。

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当然这个还不是最严重的,下面这张乌克兰内战的T-64才叫惨,炸的车体都成碎片了(战雷里的主结构撕裂指的就是这个吧):

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车体炸成碎片的T-64B

再来看看我国的实战演练,这是铁甲兵王贾元友超远距离打出的致命一击:

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59靶车被命中瞬间,油料被引燃造成了剧烈的殉爆

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难掩激动之情的贾元友

兵王贾元友(现在是副营长)在2800米距离上一炮掀翻59式坦克,穿甲弹正面射入,干烂了发动机和中组油箱后从侧面射出。能造成如此恐怖的杀伤效果,要归功于现代最先进的穿甲弹种——APFSDS(唯一稳定脱壳穿甲弹)。接下来我们还是看看穿甲弹的毁伤机理和提高威力的技术手段。

APFSDS毁伤机理

APFSDS,这个东西其实说到底就是一个实心金属棍子,没有爆炸能力,完全是利用坦克炮用高膛压将其加速到1600m/s(80年代水平),甚至1800m/s(今天水平)以上产生极高的动能(10兆焦耳以上),它的结构以一根整体烧结的细长高密度合金金属杆作为穿甲体,通过装上利于减阻的风帽、利于稳定飞行的尾翼构成。由于穿甲体是次口径的,还需要装上可分离式的弹托,以保证在炮膛内可以稳定向前运动,在射出炮口后,弹托在高速空气吹动下会从飞行体上分离。

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APFSDS结构

APFSDS穿甲弹打靶示意图,炮弹出膛后弹托会被风吹散,剩下的就是飞行体,飞行体密度大阻力小,存速能力好,飞行稳定性完全靠后面的几片弹翼维持

那么这么细长的一根棍子,打到坦克里面是钻个眼这么简单吗?显然不是。我们看看北约军事演习期间拿豹1当靶子的效果。下图的豹1挨了两枚KEWA2动能弹,这是一种和M829A2共用弹药筒的钨合金穿甲弹。

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豹1:为啥又是拿我练手??

打进去后,炮塔里是这样的:

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炮塔壁密密麻麻布满了微小的黑色小眼,这就是穿甲弹钻进去后由于弹体碎裂和钢装甲被撕裂成微小碎片后向后飞溅的效果。大家可以想象下成员的情况。。。此外由于瞬间形成的高温,可以造成车内超压,其高温气流夹着火焰可以从炮塔舱盖内顶出来:

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命中瞬间的时候产生了类似爆炸一样的效果

穿甲弹的穿透深度和影响因素

穿杆长度

衡量APFSDS的性能有一个重要概念,叫威力系数,表示为为P/L,P为Penetration也就是穿透深度,L为Length即穿甲体长度。一般来说现代的APFSDS(尾翼稳定脱壳穿甲弹)的威力系数在0.8-1.2,也就说穿深为自身长度的0.8倍~1.2倍。以德国莱茵金属的DM53 APFSDS为例,飞行体长度745mm左右,穿甲体大约700mm左右,而DM53 2000米距离的穿深在670~700mm这个范围。那么穿杆的长度本身就成了影响穿深的重要因素;如果穿杆太短,有两个劣势,一是没等击穿装甲,就已经销蚀完了;二是质量低存速能力不好,弹着时剩余动能太小。

长径比 L/D

理论和实验都证明,穿杆的长径比是影响穿深,提高威力系数的重要因素。在一定范围内,L/D长径比越高,穿深越高。所以从上个世纪70年代APFSDS应用以来,各国的穿甲弹发展都是呈越来越细长的规律,就是为了提高长径比。比如DM53,飞行体长745mm,弹径仅24mm,穿甲体按照680mm算,L/D也达到了28:1。

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德系APFSDS演进规律,长径比逐渐增加

再看美国M1A2坦克上配发的M829A3穿甲弹,飞行体长达930mm,穿甲体也有790mm左右,而弹芯直径仅有22mm,长径比高达36:1。当然M829A3前面有一段其实是钢制被帽,用来防爆反的。但即便去掉钢制被帽,贫铀穿甲体也长径比也高达31:1。

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APFSDS打靶深度,几乎和穿杆等长

着速和阻力

但是威力系数反而是随L/D的升高而下降的,而且L/D大到一定程度后,穿杆出现强度不足的问题,杆在飞行过程中的纵向形变大,达到极限后可能出现永久变形导致威力直线下降。所以L/D不可能一味增加。所以还要追求其他的方式来提升威力。这就是提高穿甲弹的着速。着速,指的是穿甲弹打到目标的一瞬间的速度。按照E=1/2mv^2的简单公式,速度越大,动能越大;能够打穿的装甲厚度也就越高,这个很好理解。

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几种长径比的穿甲体测试曲线,测试结果表明L/D越大,威力系数反而越小

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威力系数和着速的关系曲线,服从着速越大,威力系数越大的规律

着速是初速,空气阻力的函数。所以要想提高着速,一个是提高坦克炮口的初速,一个是减小速度降,也就降低阻力。减小阻力的办法通常是减小弹翼的尺寸。而苏联当年的穿甲弹之所以不如西方,除了长径比,材质这些输给西方外,弹翼尺寸过大导致速降太大也是一个劣势。一般西方的炮弹千米速降在50m/s左右。比如德国的DM53,使用L55发射,千米速度降为55m/s。

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苏系穿甲弹硕大的弹翼是其存速能力不佳的主要因素

穿甲体弹材质和密度

除了以上因素外,穿甲体的材料选用也是个重要因素,甚至是决定性因素。苏联最为第一个发明了APFSDS的国家,在早期仅使用密度较低的钢芯穿甲弹,或者直在钢套中加一个碳化钨的弹芯,甚至在西方已经使用一体烧结的钨合金穿甲体时,苏联还在使用两截钨合金弹芯+钢套的设计(直到今天仍然在俄印陆军大量服役),着都严重影响了苏/俄系穿甲弹的威力。一直到苏联解体,俄罗斯才开始研究一体化的钨合金弹芯和贫铀弹芯,进度落后了不少。

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世界上第一种APFSDS,T-62使用的3BM3,完全是钢制

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3BM26穿甲弹,只在穿甲体尾部加入一个碳化钨弹芯,其余都是钢制

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3BM42的弹芯,才用两截钨合金的“双节棍”设计

由于钢的密度是在太小,在北约国家那边,早早地就被排出在穿甲弹材料范围之外。目前主流的穿甲弹材料有两个,一个是钨合金,一个是贫铀合金。钨的密度19.35g/cm³,贫铀密度19.1g/cm³;虽然看起来差不多,然而实际穿甲弹不可能用纯钨,所以钨合金穿甲弹的密度是不如贫铀合金的。因为纯粹的钨完全没有自锐效应,打进装甲后头部会变得越来越钝变成一个蘑菇头,极大影响穿深。钨合金虽然仍然有蘑菇头,但是比纯钨好得多,但是这样也降低了穿杆的密度。这是因为钨本身表现出一定延展性,在侵彻过程中,头部的钨受到撞击后在高温下变形,向两侧挤压,由于延展性好,这部分钨没有办法断裂或者销蚀掉,所以只能是堆积在两侧,越堆越多,变成蘑菇头;蘑菇头相当于增大了接触面积,导致钨弹弹穿透力下降。

尾翼稳定脱壳穿甲弹威力这么恐怖,有哪些因素影响了它的穿深?

钨合金穿甲体侵彻过程中会形成蘑菇形钝头

而贫铀是一种脆性较高的金属,而且熔点和燃点都比较低。在侵彻过程中由于撞击和摩擦,贫铀两侧的金属在高温下熔化甚至燃烧,从铀穿甲杆头部剥离,发生绝热剪切效应,也就是自锐。这样使头部始终保持尖锐。除此之外击中物体后会剧烈燃烧产生6000度高温,相当于一枚燃烧弹,因此后效也比钨合金好了不少。所以有条件的超级大国——美国,就坚持使用贫铀合金做穿甲弹。不过贫铀保质期短,只有10年,超过保质期后会变得脆化,几乎完全失去原有性能。而且污染大,A-10飞行员x丸癌患病几率高升就是证明。

尾翼稳定脱壳穿甲弹威力这么恐怖,有哪些因素影响了它的穿深?

纯钨,钨合金和贫铀弹对比,纯钨自钝效应最为明显

尾翼稳定脱壳穿甲弹威力这么恐怖,有哪些因素影响了它的穿深?

被贫铀弹击中的效果,除了一个眼,还可以看到周围严重的烧蚀效果,这就是贫铀弹的恐怖威力

药室容积和发射药含能

对于同一种弹芯,同一种发射药,用不同的药筒,打出的穿深自然也不一样。比如德国的DM53,可以做成105mm,120mm两种弹药,我国的二期弹,三期弹,也可以同时用在105mm炮和125mm炮上,但是打出的效果自然有很大差别。原因就是这两种炮口径差异导致了药室容积的巨大差异。莱茵金属公司的Rh-120炮药室容积为10L,而新研发的130mm炮药室容积可以达到了13~16L,增加的这部分装药则可以提供更高的出口动能。至于法国研发的140mm炮,那就更恐怖了,我们看看140mm和120mm的弹药对比就能看出来:

尾翼稳定脱壳穿甲弹威力这么恐怖,有哪些因素影响了它的穿深?

140mm炮弹和120mm炮弹对比,至少长出1/3

尾翼稳定脱壳穿甲弹威力这么恐怖,有哪些因素影响了它的穿深?

俄罗斯为T-14坦克研发的Vaccum-1/2,长度长了许多

这种增大药室容积的思路,收益也的确十分明显,比如140mm炮英,法,以,瑞典,我国都有研发过,台架穿深轻松打出1米+的水平。然而到现在,也没有哪个国家实际装备更高口径的火炮,为啥?因为车体搞不定了呀。像俄罗斯的T-14,还没上152mm炮呢,仅仅是高出了个更大药室容积的2A82,就要使用无人炮塔才能玩得转;而这种无人炮塔的思路到底如何,现在还不好说。

至于发射药含能,这个也很好理解,提高单位质量发射药含能,可以提高药筒总的能量。目前的发射药含能已经从上个世纪70年代的900+J/g一路提高到现在的1200+J/g,而且引入了低易损技术和低温感技术,提高了发射药的安全性和稳定性。从实用角度考虑,提高发射药含能技术是另一个不错的发展方向。

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