钨铀之争：杆式穿甲弹究竟用哪种弹芯更好？

　　出品：科普中国

　　作者：西南交通大学国防教育协会

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　　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。

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。

    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。

　　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。

组合杆式侵彻体结构示意

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。

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