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日志

 
 

穿甲弹传奇  

2016-10-31 18:28:13|  分类: 军事历史 |  标签: |举报 |字号 订阅

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不管是实际海战还是战舰世界等一系列海战游戏,炮弹击穿敌人装甲最终在敌方战舰内部爆炸实现最大伤害一直都是最理想的状态,但是想要像“俾斯麦”号一样一炮直接打进“胡德”号弹药库引起弹药殉爆需要一个基础条件——击穿战舰外部厚厚的装甲。这便是穿甲弹的发展需求,虽然目前穿甲弹发展的最高水平——钨/贫油芯脱壳尾翼稳定穿甲弹属于坦克穿甲弹领域,但是穿甲弹的起源和发展更多是为了服务战舰和海战的发展,当身披重甲手握300mm以上口径巨炮的战列舰驰骋大洋的时候坦克还未出生。

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运气实在不好的英国皇家海军“胡德”号战列巡洋舰

穿甲弹的诞生

蒸汽动力的出现让战舰不需要跟着风走,也不需要一堆奴隶去划船,机动上更大的自由带来了海战战术的变革,而火炮的出现则宣布海战终于不是一堆步兵一手盾牌一手刀枪斧钺接舷战了。舰炮作为一种武器,就是安装在水面舰艇上的火炮,而火炮就是利用机械能、化学能(火药)、电磁能等能源抛射弹丸来打击目标的武器,从最初的“炮”——投石机到前膛装弹的滑膛炮到现代后装线膛炮和后装滑膛炮,以化学能为能源抛射弹丸的火炮已经走过了千年。历史记载最早的火炮发明于南宋年代,最早的舰炮也出现在14世纪,南宋“霹雳炮”的出现是热兵器的起点,也是海战变革的开始。

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一种典型的前膛火炮

在火炮的故乡中国,汉字中的“炮”来自于“砲”,即利用机械装置将石制弹丸抛射出去,用以攻击敌方有生力量和工事,石制弹丸不能爆炸,只能依靠动能进行杀伤,“砲”虽然没有长长的炮管,但是确定炮的基本特征,即能量将弹丸发射打击目标,而且“砲”和现代火炮一样,弹丸的射程取决于能量和弹丸重量,而弹丸的威力又取决于弹丸的能量。

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现代榴弹炮开火,可见后膛炮典型特征——炮机

进入12世纪以后,线条粗犷的投石机被圆柱形的火炮取代,圆形的铁质或者铜制炮管,内装火药和引信再压入炮弹,引信将火焰引至炮膛内的火药上,火炮短时间内迅速燃烧短时间内产生大量的高压气体,弹丸在高压气体的推动下离开炮膛,弹丸在炮膛中即获得了足够高的动能,这些动能不仅让炮弹得以飞跃至地方阵地,更使得炮弹具有威力。但是这个时候的弹丸还只是实心弹丸,不具备爆炸的能力,爆炸性炮弹史载源于北宋火器“火球”,内盛火药,裹以数层厚纸,点燃火药引线“药捻”后用抛石器投入敌阵,炸烧敌兵,南宋时改用铁炮发射,但是“火球”依赖于内部的火药燃烧和爆炸的冲击波杀伤与现代榴弹主要依靠破片杀伤的机理不同,另根据出土文物可以推测明代发明了使用铁为外壳内部装药,通过火药捻引爆内部装药的爆炸性炮弹,虽然简陋,但已堪称现代炮弹的鼻祖。

不管是开花炮弹还是实心炮弹,影响其威力的因素都是炮弹本身的能量,这部分能量又可以分成炮弹自身的能量(在炮弹静止即存在)和外界施加的能量,现代火炮中最至关重要的问题提了出来——即如何提高弹丸的能量,外界或者说炮膛中的火药气体给予弹丸的动能越多,炮弹的射程就会越远,穿甲能力也越强,炮弹自身的能量简单说就是装药量则直接影响了炮弹爆炸后的杀伤范围。

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考古发掘出的球形炮弹

从14世纪一直到19世纪采用铁甲的战舰出现之前,木制的战舰是不存在未击穿的问题的,当时的炮弹多为球形,实心或者空心装药,但是这一时期,人们发现相对于装药炮弹,由于同口径实心炮弹更重,穿透能力变得更强,但是这个时期仍为出现专用的穿甲弹。

进入19世纪中叶,采用铁板或者钢板的战舰出现,球形炮弹的尴尬也出现了,从大航海时代开始称霸海洋的大炮居然会打不穿,也是在19世纪中叶,15世纪发明的膛线开始大规模应用,出于减少阻力的目的炮弹开始变成了锥形,但是改变一下形状并不能保证一定能击穿,1859年11月,由法国海军的全球第一艘主力铁甲战舰“拿破仑”号首度启航,炮弹的对手终于到来。

当身披重甲的铁甲舰登上战场,所有的舰炮都必须面对这样一个问题——炮弹不能击穿敌方战舰的外壳也就只能在战舰外部爆炸,坚固的装甲会挡住炮弹赖以产生威力的冲击破和破片,这就像隔靴搔痒一样,并不能达到目的,必须穿透装甲并在敌人战舰内部爆炸形成杀伤,于是以穿透敌人装甲为目的的穿甲弹出现。

普通穿甲弹

首先登场的是尖头穿甲弹,一个非常常识的问题,如果想要在一张纸上打一个洞,最简单的办法是找一根针或者锥子直接捅一个洞,穿甲也是一样的道理,将尽可能大的力量集中在尽可能小的面积上,形成尽可能大的压强,实现穿透,这种穿甲作用叫做韧性穿甲。当尖头穿甲弹垂直碰击机械强度不高的韧性钢甲时,钢甲金属向表面流动,然后沿穿孔方向由前向后挤开,钢甲上形成圆形穿孔,孔径不小于弹体直径,出口有破碎的凸缘。尖头穿甲弹和榴弹一样都有一个比较尖锐的头部,对穿甲弹而言,尖锐的头部是击穿的必要条件,对于榴弹而言需要良好的流线型外形减少阻力。但尖头穿甲弹和榴弹结构上区别很大。常规榴弹引信前置,大量装药以提升“炮弹自身的能量”,提高爆炸之后的杀伤力,但尖头穿甲弹不同,尖头穿甲弹由于穿甲的需要,需要具有非常高的动量,同时应尽可能减少直径,提高硬度,防止碰击发生时弹体变形。动量与速度和质量有关,所以穿甲弹会壳体加厚,提升动量和硬度,即使少量装药也会将引信布置于弹体后部而不是像榴弹一样布置于弹体前端。但是当钢板厚度增加、强度提高,或入射角度变大时,尖头穿甲弹将无法击穿,甚至直接跳弹。

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尖头穿甲弹

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普通榴弹

跳弹的就像是在一块很光滑的铁板上钉钉子,如果不能保证钉子完全垂直于铁板,一锤子下去,钉子通常会直接飞掉,尖头穿甲弹的尴尬就在于此,尖锐的头部倾斜地碰击硬质装甲时首先接触到的不是顶端,而是顶端以下一段倾斜地弹体,这时会产生一个使炮弹转动的力矩,这个力矩会使炮弹转向沿装甲方向行进,这就造成了跳弹。而对尖头穿甲弹的尖头进行改造,改为平头,平坦的头部集中硬质装甲也会产生一个力矩,但是这个力矩会使炮弹转正,转为垂直集中装甲,钝头穿甲弹解决了跳弹的问题,但是由于弹头形状和装甲的改变,穿甲作用也发生了改变。钝头穿甲弹碰击到钢甲时首先将钢甲表面破坏,形成弹坑,然后产生剪切,靶后出现塞块,被击穿的装甲会产生一块沿穿甲方向运动的塞块,这是冲塞式穿甲。

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韧性穿甲

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冲塞式穿甲

尖头穿甲弹对付韧性钢板的效果非常好,对付硬度比较高的装甲不仅容易跳弹,尖锐的头部非常脆弱容易碎裂,早期的苏德战场上,德国的50mm口径尖头弹打在T-34上总是跳弹,而德国的表面硬化装甲在面对BR-350A钝头弹时却像一层纸,但是实际应用中大多数情况下装甲钢板的韧性都非常好,美国陆军甚至出现过坦克装甲能挡住使用钝头弹的大口径反坦克炮却挡不住使用尖头弹的小口径反坦克炮的窘境,这在战舰上更显著,毕竟战舰最初的全铁质装甲都是熟铁装甲,后来进化也是向钢-熟铁复合装甲(比如14英寸钢铁复合装甲的“定远”级铁甲舰)以及表面硬化的熟铁装甲过渡,战舰的装甲韧性一直很足。在这个时候一种融合了钝头穿甲弹和尖头穿甲弹的新设计出现了,即被帽穿甲弹,被帽穿甲弹的本质仍然是尖头穿甲弹,但是在尖头穿甲弹的头部加上了一个钝头的“被帽”,在被帽穿甲弹集中装甲时,被帽首先与装甲发生碰撞,被帽可以提供一定的转正效应,防止跳弹,被帽接触装甲时即发生破碎,但被帽破碎的同时会引起装甲表面的破坏,可以破坏表面硬化装甲的表面硬化层,而被帽破碎后露出了仍然完整的尖头穿甲弹,这个时候硬度高的装甲表面层已经破坏,剩下的是韧性比较好的装甲,正合尖头穿甲弹的“口味”,被帽穿甲弹的穿甲效果因此钝头穿甲弹要好得多,在钝头穿甲弹这朵“昙花”开放不久即将其取代。

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钝头穿甲弹和被帽穿甲弹

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尖头穿甲弹会跳弹,钝头弹会转正

不管是钝头穿甲弹还是被帽穿甲弹都有一个问题——平整的头部不利于减少飞行时的阻力,这个问题对于尖头穿甲弹也存在,虽然尖头穿甲弹的头部比较尖锐,但是依然不能将阻力减少到可以接受的范围内,所以需要在穿甲弹的头部假装一个减少阻力的“帽子”——风帽,于是另一种穿甲弹诞生——被帽风帽穿甲弹,被帽风帽穿甲弹的穿甲过程与被帽穿甲弹并无特殊之处,对于钝头穿甲弹和尖头穿甲弹来说,风帽也是“标配”。

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带风帽的尖头穿甲弹

但是普通穿甲弹还缺以为成员——半穿甲弹,半穿甲弹与穿甲弹的区别就在于装药量更多,而且多采用风帽+钝头穿甲弹或者被帽穿甲弹的形式,不管是尖头穿甲弹还是钝头穿甲弹一般很少装药以提高动量和硬度,中日甲午海战中炮弹里面填沙子其实就是使用沙子对不装药的穿甲弹进行重心调整,而半穿甲弹则采用提高装药量的方式提高击穿之后的杀伤力,所以水面舰艇更多采用半穿甲弹,直至今日,反舰导弹也多采用半穿甲战斗部,毕竟对于舱室众多,空间较大的睡眠舰艇而言,依靠穿甲弹击穿过程中产生的碎片带来的杀伤力的确有点儿不足。

次口径穿甲弹

但是二战中,随着动力水平的发展,坦克的装甲越来越厚,“穿甲”越来越难,为了提高炮弹在穿甲时的能量,只能在弹重和速度上下功夫,但是想要越来越重的穿甲弹有更高的速度就需要火炮膛压(炮弹推进火药点燃时炮膛内的压强)更大或者口径更大,如果不能在炮管用钢材上有新突破就只能提高口径,于是各种大口径的反坦克炮纷纷出现,1943年2月14日苏联红军开始装备使用152mm口径ML-20型火炮的SU-152自行反坦克炮,但是,穿甲弹的口径越大在穿甲时受到的阻力也就越大,速度衰减也就越快,穿甲弹的研发就此陷入一个圈,提高威力只能提高口径,更高的口径却又阻碍穿甲弹穿甲,而且让大口径炮弹达到高初速是非常困难的,SU-152发射的48.78公斤重的穿甲弹初速只有655m/s,因此迫切需要一种设计来改变这种情况,于是,次口径超速穿甲弹诞生。

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次口径超速穿甲弹

次口径超速穿甲弹采用硬度很高、比重较大的材料制作弹芯,弹芯外包裹质量较轻的材料作为弹体,同时弹体前端采用钝头+风帽的设计以减少阻力、防止跳弹,在穿甲时,弹体首先接触装甲,但是弹体较软,无法产生穿甲作用,受到装甲的阻碍便会减速,而尖头弹芯则会继续向前,超越弹体,穿透弹体与装甲接触,进行穿甲。次口径穿甲弹相当于在不提高膛压也不提高初速的条件下,减少穿甲时的横截面积,减轻穿甲时的速度衰减,提高了穿甲效果。

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旋转稳定脱壳穿甲弹

次口径超速穿甲弹堪称一个伟大的发明,但是这依然不够,而且其穿甲时的速度依然不能满足要求,提高穿甲速度的途径有两条:提高初速或者减小飞行过程中的动量损失。在次口径超速穿甲弹“作弊”的基础之上,有人提出了更好的创意,对穿甲无用的弹体在飞到目标前就脱离,在飞行过程中只有弹芯在高速飞行,弹体或者说弹托只是提高弹芯动能的一个手段,毕竟提高膛压太难了,弹托和弹芯在炮膛内同时受到高压燃气的作用前进,一旦飞出炮膛,弹托和弹芯会受到的阻力使速度下降,弹芯的比重大,所储存的动量更多,而弹芯密度小,二者之间就会产生速度差,当弹托与弹芯之间的连接强度不足以支持弹芯带着弹托飞行的时候,弹托就会脱离弹芯,只有弹芯向前飞行。早期的脱壳穿简单都使用线膛炮发射,利用膛线使炮弹产生的旋转稳定(类似于陀螺效应)精确打击目标,但是各国军事工程师对弹芯直径减少的追求是无止境的,而在弹芯的直径减少的同时为了不减少弹芯的质量只能对弹芯进行延长,此消彼长之间,当弹芯的长度超过直径的5-7倍后(即长径比不能超过5-7),旋转将不能为弹芯提供足够的稳定保证其精度,于是使用滑膛炮发射,利用小片尾翼稳定方向的脱壳尾翼稳定穿甲弹诞生,弹芯长径比普遍超过15,甚至达到30,虽然尾翼稳定不能保证远距离的射击精度,但受到地形视距等因素制约,现代坦克作战距离很少超过2000米,脱壳尾翼稳定穿甲弹的精度已经足够。

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脱壳尾翼稳定穿甲弹

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脱壳尾翼稳定穿甲弹及被穿透的装甲

穿甲弹始于海战却成于陆战,期间经历了大炮巨舰的兴起和衰亡,也见证了坦克这一陆战之王的崛起,人类智慧的伟大在穿甲弹的发展上表现地淋漓尽致,为了一句“我们成功的击穿了敌人的装甲”,各种各样的设计层出不穷,而且这种发展永远不会停止。


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