鎢鈾之爭:杆式穿甲彈究竟用哪種彈芯更好?

　　出品：科普中國

　　作者：西南交通大學國防教育協會

　　監製：光明網科普事業部

　　說到各國主戰坦克（MBT Main Battle Tank）普遍使用的尾翼穩定脫殼穿甲彈（APFSDS），就不得不提到彈芯材料的鎢鈾之爭。目前廣泛應用於各型杆式穿甲彈彈芯的材料是貧鈾合金與鎢合金，二者材料性能的優劣一直以來都是大家津津樂道的話題。

美國M829A2型APFSDS脫殼的瞬間

　　一般來說，在同等情況下貧鈾合金的侵徹能力較鎢合金高10~15%，這是由於貧鈾合金材料的臨界絕熱剪切應變率較低，易發生絕熱剪切斷裂，即「自銳」效應。而鎢合金在穿甲過程中，穿桿頭部會「自鈍」，致使侵徹阻力增大，侵徹力深度降低。

　　下圖為純鎢、鎢合金和鈾合金材料彈芯穿甲過程中彈頭的行為特徵。

    自鈍與自銳效果。註：Pure W——純鎢；WHA（Tungsten Heavy Alloy）——高密度鎢合金；DU-3/Ti ——一種貧鈾合金材料（含Ti/V，鈦/釩）

　　由圖可見，在同等彈芯直徑條件下，貧鈾合金穿甲通道直徑最小，穿甲阻力最小。

　　另外，貧鈾易燃，在穿甲後具有強烈的縱火作用，對車輛成員有更強的殺傷效果，更容易引發二次效應。

　　但是貧鈾也有缺點：

　　貧鈾具有放射性，會威脅坦克裝甲車輛成員的健康，燃燒過程中產生的放射性煙氣被吸入後會造成嚴重內照射。

　　貧鈾化學活性高，容易氧化變質，不利於長期儲存。

　　貧鈾合金剛度較低，需要使用更大尺寸的彈託防止在膛內加速時彎曲，增加了消極質量，減小了穿甲體獲得的動能。

　　U的熔點為1133℃，W的熔點為3370°C。由於APFSDS的飛行速度達M5~M6，在這種速度下的氣動加熱可達2500K左右，在強大的高溫和氣動力的耦合作用下，貧鈾合金的形變較大。彈芯產生的形變會降低速度、加劇章動影響精度和破壞著靶姿態而降低穿深。

　　貧鈾合金的流變極限強度較低。在穿杆高速撞擊並穿透靶板的過程中會發生壓縮變形，應變速率提高，峰值應力也將逐漸增大，「自銳」效應將被削弱。

　　貧鈾較低的剪切強度在帶來自銳特性的同時，也使得面對爆炸反應裝甲、約束式複合裝甲時穿杆更容易被折斷。

　　下圖展示了不同材料的彈芯在長徑比λ=30、衝擊動能E=10MJ的情況下，著速與穿深的關係。

　　一定長徑比及衝擊動能下著靶速度與穿深的關係。註：WHA（Tungsten Heavy Alloy）——高密度鎢合金；DU（Depleted Uranium）——貧鈾；Steel—— 鋼；Target ——目標；BHN（Brinell Hardness Number）——布氏硬度，後面的數字越大，材料越硬；軋制均質鋼RHA一般特指RC-27鋼板（4340鋼）BHN=250~390，對應國標鋼號40CrNiMoA。

　　目前以固體火藥為發射動力的120~125mm坦克炮炮口動能都在10MJ~13MJ之間，已經非常趨近常規火炮的極限。在實際應用中，穿甲體的質量和初速是互相制約的——穿甲體加長，速度就會降低；速度升高，穿甲體就要縮短，在設計上需要取捨。

　　在當前技術條件下，射擊均質鋼裝甲時，貧鈾合金穿甲彈的最佳著速Vc=1600m/s，對於鎢合金穿甲彈Vc=2000m/s（著速可以大致視為炮口初速-速度降）。這一點在彈藥參數選擇上有明顯體現，例如德國DM-53的初速1670m/s、美國M829A3的初速1550m/s、我國出口型125彈初速1700m/s等。

　　鎢合金所具有的高熔點、高強度使其可以適應更高的發射過載和更大的飛行速度。

　　制約鎢合金杆式穿甲彈穿深的最主要因素是「自鈍」效應。即前文提到的在穿甲過程中鎢合金穿桿頭部形成的「蘑菇頭」。

　　提高鎢合金彈穿深最直接的方法是增大發射初速。

　　採取措施減小鎢合金自鈍現象帶來的影響，也是當前技術條件下提高穿深的有效方法之一。主要有以下兩種方式：

　　（1）改進材料組份，使其具有絕熱剪切特徵。

　　鎢鉿合金，有50W-50Hf和74W-26Hf兩種，採用流化床化學汽相沉積加固態固結工藝製成，準靜態壓縮力學性能與 90W-7Ni-3Fe合金相當；

　　鎢－金屬間化合物，目前合成的有W-7%Ni-Fe-Al，該合金燒結密度達96%，平均晶粒尺寸為7μm，在動態壓縮試驗中，顯示了絕熱剪切特徵；

　　鎢錳合金，有90W-Ni-Mn和95W-5Mn兩種，燒結密度達95％以上，在動態試驗中，均顯示了絕熱剪切特徵。

　　（2）改進穿杆結構，用結構自銳來替代材料本身的自銳。

　　下圖所示為一種具有結構自銳能力的組合式侵徹體。其外層的鎢合金管包覆內層的碳化鎢彈芯構成。

組合杆式侵徹體結構示意

組合杆彈體頭部在不同時刻侵徹形狀圖

　　可以看到，在改進了結構之後，鎢合金也同樣可以「自銳」。不過，相對於貧鈾彈芯合金仍然有差距。

　　組合式結構自銳彈芯相較於改善材料性能的單杆式彈芯，工序更少、成本更低。目前這項技術已經應用在我國新型坦克炮用尾翼穩定脫殼穿甲彈上。

　　鎢纖維複合材料也是一種具有結構自銳的構型。例如使用鋯合金玻璃內包鎢絲束的結構，該材料雖然密度小於對比試驗的95W鎢合金，但在使用彈道炮進行對比實驗時，其侵徹能力反而更高。

W纖維-ZrTiCuNiBe金屬玻璃基複合材料彈芯侵徹效果圖

　　圖6中上方為完整的彈芯，下方位試驗後從靶板上回收的彈芯殘段。可見，該複合材料彈芯並沒有形成「蘑菇頭」。

　　貧鈾合金和鎢合金有各自的性能優勢，鈾-鎢複合也是一個發展趨勢。另外，基於複合材料的優良性能，目前還開發出了一些用於穿甲彈彈體的貧鈾基複合材料。

　　目前，由常規火炮發射的穿甲彈初速依然有限，在主戰坦克的典型交戰距離 2000m或更遠距離，穿甲彈的著速仍然小於 2000m/s，所以在對RHA的穿透力上，貧鈾合金比鎢合金仍具有優勢。

　　隨著新型裝藥技術、液體發射裝藥、電熱化學炮、電磁發射技術等的發展，未來杆式穿甲彈的著靶速度將會超過2000m/s的臨界點。

　　當著速超過2000m/s時，慣性效應在侵徹中開始居支配地位，穿甲機理發生變化，材料之間行為差別的影響逐漸減少。這時穿杆的結構由連續杆變為分段間斷杆後，穿甲性能更好。對於不同的著靶速度，分段間斷杆存在著最佳的分段及段間間隙。

　　最後需要特別說明的是，在可以查閱到的公開數據都是以對均質鋼裝甲（RHA）的穿透能力為比較標準。而當前的先進主戰坦克（MBT）不僅採用了各種複合裝甲（如約束式複合裝甲），還可在外部加掛附加裝甲、爆炸反應裝甲（ERA）等，是不能簡單認為在現有條件下貧鈾合金就一定優於鎢合金。（本文圖片來自網絡）

　　參考篇目：

　　1、鎢纖維複合材料穿甲彈芯侵徹時的自銳現象 榮光 黃德武 爆炸與衝擊 2009年7月第29卷第4期 文章編號:1001—1455（2009） 04-0351-05 國標學科代碼：130·3530

　　2、組合杆式穿甲彈的侵徹能力仿真分析 吳群彪 沈培輝 劉榮忠 系統仿真學報 2013年2月第25卷第2期 文章編號：1004-731X（2013）02-0367-04

　　3、彈藥概論 李向東 國防工業出版社 ISBN：7118036811

　　4、穿甲力學 錢偉長 國防工業出版社 ISBN：15034.2753

　　5、終點彈道學 （美）陸軍裝備部 國防工業出版社 ISBN：7-118-00065-5

　　6、坦克裝甲車輛設計（武器系統卷） 馮益柏 化學工業出版社 ISBN：978-7-122-21608-3