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钨铀之争:杆式穿甲弹究竟用哪种弹芯更好?

2018-05-14 17:20 来源:科普中国-军事科技前沿 

  出品:科普中国

  作者:西南交通大学国防教育协会

  监制:光明网科普事业部

  说到各国主战坦克(MBT Main Battle Tank)普遍使用的尾翼稳定脱壳穿甲弹(APFSDS),就不得不提到弹芯材料的钨铀之争。目前广泛应用于各型杆式穿甲弹弹芯的材料是贫铀合金与钨合金,二者材料性能的优劣一直以来都是大家津津乐道的话题。

钨铀之争:杆式穿甲弹究竟用哪种弹芯更好?

美国M829A2型APFSDS脱壳的瞬间

  一般来说,在同等情况下贫铀合金的侵彻能力较钨合金高10~15%,这是由于贫铀合金材料的临界绝热剪切应变率较低,易发生绝热剪切断裂,即“自锐”效应。而钨合金在穿甲过程中,穿杆头部会“自钝”,致使侵彻阻力增大,侵彻力深度降低。

  下图为纯钨、钨合金和铀合金材料弹芯穿甲过程中弹头的行为特征。

钨铀之争:杆式穿甲弹究竟用哪种弹芯更好?

    自钝与自锐效果。注:Pure W——纯钨;WHA(Tungsten Heavy Alloy)——高密度钨合金;DU-3/Ti ——一种贫铀合金材料(含Ti/V,钛/钒)

  由图可见,在同等弹芯直径条件下,贫铀合金穿甲通道直径最小,穿甲阻力最小。

  另外,贫铀易燃,在穿甲后具有强烈的纵火作用,对车辆成员有更强的杀伤效果,更容易引发二次效应。

  但是贫铀也有缺点:

  贫铀具有放射性,会威胁坦克装甲车辆成员的健康,燃烧过程中产生的放射性烟气被吸入后会造成严重内照射。

  贫铀化学活性高,容易氧化变质,不利于长期储存。

  贫铀合金刚度较低,需要使用更大尺寸的弹托防止在膛内加速时弯曲,增加了消极质量,减小了穿甲体获得的动能。

  U的熔点为1133℃,W的熔点为3370°C。由于APFSDS的飞行速度达M5~M6,在这种速度下的气动加热可达2500K左右,在强大的高温和气动力的耦合作用下,贫铀合金的形变较大。弹芯产生的形变会降低速度、加剧章动影响精度和破坏着靶姿态而降低穿深。

  贫铀合金的流变极限强度较低。在穿杆高速撞击并穿透靶板的过程中会发生压缩变形,应变速率提高,峰值应力也将逐渐增大,“自锐”效应将被削弱。

  贫铀较低的剪切强度在带来自锐特性的同时,也使得面对爆炸反应装甲、约束式复合装甲时穿杆更容易被折断。

  下图展示了不同材料的弹芯在长径比λ=30、冲击动能E=10MJ的情况下,着速与穿深的关系。

钨铀之争:杆式穿甲弹究竟用哪种弹芯更好?

  一定长径比及冲击动能下着靶速度与穿深的关系。注:WHA(Tungsten Heavy Alloy)——高密度钨合金;DU(Depleted Uranium)——贫铀;Steel—— 钢;Target ——目标;BHN(Brinell Hardness Number)——布氏硬度,后面的数字越大,材料越硬;轧制均质钢RHA一般特指RC-27钢板(4340钢)BHN=250~390,对应国标钢号40CrNiMoA。

  目前以固体火药为发射动力的120~125mm坦克炮炮口动能都在10MJ~13MJ之间,已经非常趋近常规火炮的极限。在实际应用中,穿甲体的质量和初速是互相制约的——穿甲体加长,速度就会降低;速度升高,穿甲体就要缩短,在设计上需要取舍。

  在当前技术条件下,射击均质钢装甲时,贫铀合金穿甲弹的最佳着速Vc=1600m/s,对于钨合金穿甲弹Vc=2000m/s(着速可以大致视为炮口初速-速度降)。这一点在弹药参数选择上有明显体现,例如德国DM-53的初速1670m/s、美国M829A3的初速1550m/s、我国出口型125弹初速1700m/s等。

  钨合金所具有的高熔点、高强度使其可以适应更高的发射过载和更大的飞行速度。

  制约钨合金杆式穿甲弹穿深的最主要因素是“自钝”效应。即前文提到的在穿甲过程中钨合金穿杆头部形成的“蘑菇头”。

  提高钨合金弹穿深最直接的方法是增大发射初速。

  采取措施减小钨合金自钝现象带来的影响,也是当前技术条件下提高穿深的有效方法之一。主要有以下两种方式:

  (1)改进材料组份,使其具有绝热剪切特征。

  钨铪合金,有50W-50Hf和74W-26Hf两种,采用流化床化学汽相沉积加固态固结工艺制成,准静态压缩力学性能与 90W-7Ni-3Fe合金相当;

  钨-金属间化合物,目前合成的有W-7%Ni-Fe-Al,该合金烧结密度达96%,平均晶粒尺寸为7μm,在动态压缩试验中,显示了绝热剪切特征;

  钨锰合金,有90W-Ni-Mn和95W-5Mn两种,烧结密度达95%以上,在动态试验中,均显示了绝热剪切特征。

  (2)改进穿杆结构,用结构自锐来替代材料本身的自锐。

  下图所示为一种具有结构自锐能力的组合式侵彻体。其外层的钨合金管包覆内层的碳化钨弹芯构成。

钨铀之争:杆式穿甲弹究竟用哪种弹芯更好?

组合杆式侵彻体结构示意

钨铀之争:杆式穿甲弹究竟用哪种弹芯更好?

组合杆弹体头部在不同时刻侵彻形状图

  可以看到,在改进了结构之后,钨合金也同样可以“自锐”。不过,相对于贫铀弹芯合金仍然有差距。

  组合式结构自锐弹芯相较于改善材料性能的单杆式弹芯,工序更少、成本更低。目前这项技术已经应用在我国新型坦克炮用尾翼稳定脱壳穿甲弹上。

  钨纤维复合材料也是一种具有结构自锐的构型。例如使用锆合金玻璃内包钨丝束的结构,该材料虽然密度小于对比试验的95W钨合金,但在使用弹道炮进行对比实验时,其侵彻能力反而更高。

钨铀之争:杆式穿甲弹究竟用哪种弹芯更好?

W纤维-ZrTiCuNiBe金属玻璃基复合材料弹芯侵彻效果图

  图6中上方为完整的弹芯,下方位试验后从靶板上回收的弹芯残段。可见,该复合材料弹芯并没有形成“蘑菇头”。

  贫铀合金和钨合金有各自的性能优势,铀-钨复合也是一个发展趋势。另外,基于复合材料的优良性能,目前还开发出了一些用于穿甲弹弹体的贫铀基复合材料。

  目前,由常规火炮发射的穿甲弹初速依然有限,在主战坦克的典型交战距离 2000m或更远距离,穿甲弹的着速仍然小于 2000m/s,所以在对RHA的穿透力上,贫铀合金比钨合金仍具有优势。

  随着新型装药技术、液体发射装药、电热化学炮、电磁发射技术等的发展,未来杆式穿甲弹的着靶速度将会超过2000m/s的临界点。

  当着速超过2000m/s时,惯性效应在侵彻中开始居支配地位,穿甲机理发生变化,材料之间行为差别的影响逐渐减少。这时穿杆的结构由连续杆变为分段间断杆后,穿甲性能更好。对于不同的着靶速度,分段间断杆存在着最佳的分段及段间间隙。

  最后需要特别说明的是,在可以查阅到的公开数据都是以对均质钢装甲(RHA)的穿透能力为比较标准。而当前的先进主战坦克(MBT)不仅采用了各种复合装甲(如约束式复合装甲),还可在外部加挂附加装甲、爆炸反应装甲(ERA)等,是不能简单认为在现有条件下贫铀合金就一定优于钨合金。(本文图片来自网络)

  参考篇目:

  1、钨纤维复合材料穿甲弹芯侵彻时的自锐现象 荣光 黄德武 爆炸与冲击 2009年7月第29卷第4期 文章编号:1001—1455(2009) 04-0351-05 国标学科代码:130·3530

  2、组合杆式穿甲弹的侵彻能力仿真分析 吴群彪 沈培辉 刘荣忠 系统仿真学报 2013年2月第25卷第2期 文章编号:1004-731X(2013)02-0367-04

  3、弹药概论 李向东 国防工业出版社 ISBN:7118036811

  4、穿甲力学 钱伟长 国防工业出版社 ISBN:15034.2753

  5、终点弹道学 (美)陆军装备部 国防工业出版社 ISBN:7-118-00065-5

  6、坦克装甲车辆设计(武器系统卷) 冯益柏 化学工业出版社 ISBN:978-7-122-21608-3

[责任编辑:赵清建]

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