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钨铀之争,钨芯穿甲弹是否可以应用在中小口径

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钨铀之争,钨芯穿甲弹是否可以应用在中小口径

  出品:科普中国

问题:钨芯穿甲弹是否可以应用在中小口径枪械上呢?

  作者:西南交通大学国防教育协会

回答:

  监制:光明网科普事业部

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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。

▲我国研发的54式12.7毫米钨芯脱壳弹,其是1975年我国引进美国太平洋技术公司的同口径APDS弹的技术而研发的一种钨芯脱壳弹,具有初速高、弹道低伸、穿甲威力大的特点

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钨芯穿甲弹顾名思义就是采用钨合金弹芯的穿甲弹,目前比较有代表性的就是现代主战坦克上所使用的钨合金尾翼稳定脱壳穿甲弹,如德国的DM43/53,中国的DTW-125/DTC-10等。

  美国M829A2型APFSDS脱壳的瞬间

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  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。

▲从表可知,钨合金对比钢在压应力比较上有着明显的优势

  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。

一般来说,钨芯穿甲弹都采用高密度的钨合金来制造其弹芯,因此有利于提高穿甲弹飞行时的存速能力和对钢板的侵彻能力,且钨合金还是一种耐高温、热稳定性好金属材料,故而用其制成的弹芯具有在高温高压环境下也不会粘结变形的特点。那如此好的材料,可否应用在中小口径枪械的弹药上呢?答案是肯定的,比如就以咱们国家为例,我国就制造出了54式12.7毫米钨芯脱壳弹(APDS)及02式14.5毫米钨芯尾翼稳定脱壳穿甲弹(APFSDS),其中前者的弹药尺寸为12.7X108mm,初速可达1150m/s以上,而后者的弹药尺寸为14.5X114mm,初速可达1250m/s以上,这两型弹药可分别配备于54式12.7毫米机枪及02式14.5毫米机枪上,从而增强这两型机枪的威力,而它们的成功研发,也是我国中小口径枪械弹药领域的一次巨大的进步。

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  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)

▲从表可知,12.7毫米钨芯脱壳弹的穿甲性能对比一般12.7毫米穿甲燃烧弹有着很大的优势

  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。

因此,综上所述,钨芯穿甲弹不仅可以应用在大口径坦克火炮上,也可以应用在中小口径枪械的弹药上。

  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。

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  但是贫铀也有缺点:

回答:

  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。

完全可以,当然是在大材小用和不顾成本的基础上。
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  贫铀化学活性高,容易氧化变质,不利于长期储存。

钨是一种硬度极高的金属,用其制造的合金密度是最优制钢材的将近3倍,这也就是说它的弹芯断面密度大,能够提高弹丸的存速能力和对目标钢板的侵彻能力,即穿透能力。
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  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。

说到这里,我们也就大体上知道了钨合金最主要的战斗功能是用于穿甲,这是目前许多顶级炮射穿甲弹的最重要的材质。根据作战和打击目标不同,钨合金穿甲弹在70年代就已经被美军所使用,海湾战争中,美军使用的贫铀穿甲弹更胜一筹,但是却带来了贫铀穿甲弹在利川装甲时高温燃烧而产生的带有污染性的氧化铀尘埃,美国又重新开始钨合金弹芯的穿甲弹研制。
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  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。

钨是一种稀有的有色金属、价格昂贵,可以说用其制造穿甲弹打击并击毁同样制造价格高昂的装甲目标是非常值得的。但是把它用到普通的作战用途上,真的太过奢侈和浪费。
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  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。

普通小口径武器最主要的作战目标就是单兵,对于普通士兵这些钢质弹丸杀伤力和穿透力已经足够,又何必再去使用硬度更高、价格更贵的钨合金呢?难道是想打出一个穿糖葫芦的结果?

  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。

回答:

  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。

可以的。美帝的5.56口径m955,7.62口径的m993和m948,都是钨合金弹头。556有概率穿透4级甲,762平趟4级甲。

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不过钨这种东西不便宜吧,估计给特种部队配点儿还差不多,全面铺开地主也肉痛啊。

  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。

中国的钨储量据说不少,12.7和14.5口径好像都有钨芯弹,轻装甲遇到会很倒霉的。

  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。

回答:

  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-43的初速1900m/s、美国M829A3的初速1550m/s、我国出口型125弹初速1800m/s等。

不可以,再厉害的弹头没有一定的质量是没法穿透装甲的,子弹本身质量就是小再加上空气阻力,很难完成任务。

  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。

回答:

  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”。

越战时我国已供此弹给北越,12.7mm高机击穿M113装甲车,乘车士兵死亡惨重!

  提高钨合金弹穿深最直接的方法是增大发射初速。

回答:

  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:

钨矿属于稀有矿藏,解放前国民政府用钨矿和德国做交易,红军在江西苏区也是靠钨矿做主要经济支撑,这个属于国防战略物资。我国为什么不使用带辐射的贫铀穿甲弹,就是因为中国钨矿资源相对丰富,用的脱壳穿甲弹弹芯就是钨合金,但是用来做普通子弹的弹芯那也太浪费了。

  (1)改进材料组份,使其具有绝热剪切特征。

回答:

  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;

当然可以,只是性价比不高,钨价格贵,而轻武器弹药消耗量巨大,打死一个人平均要打上几千几万发。这种烧钱的打法美帝也受不了。一般穿甲弹都是钢芯,高碳钢。美帝的一些子弹用铁芯,也能达到穿透某些目标的要求。步兵用穿甲弹一般都是机枪上,还不是整条弹链都是。因为穿甲弹硬,打不中目标就没什么杀伤,比如我国87式5.8毫米子弹。普通子弹打不中,打在较硬的物体上的时候会碎裂,从而杀伤附近的人

  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;

回答:

  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。

是可以的,但是在经济上是不尚算的。钨是一种十分稀有的贵金属,大家可以看到一般只有在对付坦克的穿甲弹上有使用。甚至在二战时的纳粹德国由于钨极度稀少,甚至连坦克穿甲弹也是限量供给的。而对我国来说,我国的钨储量相对较多,则不存在这样的问题。但是如果用在小口径枪械上,这样造成的使用量无疑是十分庞大的。这是不合适的。

  (2)改进穿杆结构,用结构自锐来替代材料本身的自锐。

回答:

  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。

速度,如果钨芯弹丸的大重量能被加速到足够高的出口速度(如1000+),根据动能动量,这样给枪和发射人员的后座冲击太大了。参考苏联反坦克14.5枪和弹的发射,一发一发的装填,发射,而且一般是装填一个人,发射一个人!就知道这样的钨芯弹作为单兵弹药来说,就非常不划算:反装甲,人受不了,反步兵,人照样受不了,太慢了

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回答:

  组合杆式侵彻体结构示意

理论上可以,但步枪都是主要以杀伤有生人员为目的的,钨合金是以穿甲而设计的,现在士兵的防弹衣一般是防不住普通步枪弹的,更不用说钨合金弹了。如果硬要用钨合金子弹打人也可以,但子弹的生产成本会猛增,而子弹又是快速的消耗品,所以得不偿失

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  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。

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  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

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