不僅是擊穿10層鋼板

希弦

近日，央視節目《加油向未來》第3季開播。在第一期節目中，欄目組走進中國兵器西北工業集團的試驗場，帶領觀眾目睹了國產105mm穿甲彈的威力。這種炮彈擊穿10層鋼板，通過高速攝影、慢鏡頭回放，場面十分震撼。然而，為什么穿甲彈可以穿透這樣多的鋼板，畫面中又有那些穿甲彈技術的細節值得軍迷仔細品讀。請看本文。

矛與盾對抗中的發展歷程

從理論上說，對裝甲目標的殺傷手段分為動能殺傷的“穿甲彈”與“化學能”聚能裝藥戰斗部的“破甲彈”。而前者在矛與盾的對抗中是最悠久的。它靠“彈”的巨大的動能來撞擊目標造成穿透、毀傷。穿甲彈的發展歷程，大概經歷了從最初的尖頭穿甲彈到“被帽穿甲彈”，歷經結構革新的“次口徑化”的“高速穿甲彈”或稱“硬芯穿甲彈”，之后在此基礎上的次口徑“脫殼化”的“旋轉穩定脫殼穿甲彈”，以及今日最主流的“尾翼穩定脫殼穿甲彈”幾個階段。

上世紀60年代初，蘇聯在T-62坦克的115mm滑膛炮上率先配用了尾翼穩定脫殼穿甲彈。隨后西方國家通過設計雙層塑料密封彈帶，有效減少了飛行彈體的轉速，進而讓北約大量列裝的線膛炮上也可以使用尾翼穩定脫殼穿甲彈。而同時代的馬鞍型彈托、小尾翼的設計，也使尾翼穩定脫殼穿甲彈飛行阻力更小、射擊精度更高。

尾翼穩定脫殼穿甲彈由彈丸和裝藥部分組成。彈丸由飛行部分和脫落部分組成。飛行部分一般由風帽、穿甲頭部、彈體、尾翼、曳光管等組成。脫落部分一般由彈托、彈帶、密封件、緊固件等組成。裝藥部分一般由發射藥、藥筒、點傳火管、尾翼藥包（筒）、緩蝕襯里、緊塞具等組成。

尾翼穩定脫殼穿甲彈，彈頭不是尖的？

節目提出了一個選擇題：“哪種形狀不適用于穿甲彈的彈頭設計”？節目中給出的選項A為“半球形”；B為“截錐形”；C，尖頭形。大家的討論頗多。我們從照片上看到的穿甲彈，其彈體最前端都是尖尖的。然而節目給出的答案卻與“常識”相反——最不適合做穿甲彈的彈頭設計就是尖頭形。

那么為何尾翼穩定脫殼穿甲彈最前部都是尖的？這是因為尾翼穩定脫殼穿甲彈與其它類型穿甲彈一樣，都少不了錐形的風帽來優化彈體最前部的氣動外形，減小飛行阻力。所以，節目上展示的穿甲彈在去掉了風帽后，下面的“彈體”（亦通稱為“彈芯”、“侵徹體”）頭部形狀可能就不是尖頭形了。

尾翼穩定穿甲彈風帽的下面其實是鈍頭的彈體。彈體的前端還有多個“穿甲塊”，像一個一個小臺階。這樣的結構是早期穿甲彈在設計上的慣例。將“穿甲塊“作為彈體的頭部，更利于對付間隙裝甲、復合裝甲。節目中所展示的半球形頭部，即彈體的前端車制成了半球形，對穿透均質裝甲板是有利的。而截錐形的彈體頭部在著靶時，會產生一個轉正力矩，不容易發生跳彈，有利于侵徹斜置的均質裝甲。

對比截錐形、圓形，尖頭形的彈體在面對有一定傾斜角度的裝甲時，更可能發生跳彈現象。但這不是否定穿甲彈的“尖頭外觀造型”，而且其它形狀的彈體對斜置裝甲的侵徹也不是“穩穩”的。

穿甲彈在著靶時，彈體會受到靶板一個不通過彈體質心且不對稱的阻力，它對彈體質心產生了一個翻轉力矩。這正是產生“跳彈”現象的根本原因。決定這個翻轉力矩的因素，既與穿甲彈的彈頭結構/形狀有關系，也與命中角/著靶姿態、入射速度/著靶比動能、被侵徹介質的性質及其摩擦力等多方面因素息息相關。

不論是靶場試驗，還是結合有限軟件的仿真模擬都能得出：穿甲彈的彈體，不論是何種形狀，如果著靶角度大于一定值都會發生“跳彈”。只是當小于這個閾值時，尖形彈丸跳彈的可能性才比圓形頭部彈丸與截錐形頭部彈丸大。當著靶角度小于某個閾值時（極端情況就是0°的垂直入射），不論穿甲彈頭部是何種形狀都不會發生跳彈，都能完成對裝甲的侵徹。

節目中提出的3種形狀穿甲彈頭部中，截錐形更不容易發生跳彈。節目中解釋：截錐型彈在著靶瞬間彈體尾部會上翹（著靶角度減小了），也就產生了“轉正力矩”來“對抗”彈丸的翻轉力矩。這是因為截錐形頭部結構的穿甲彈產生的轉正力矩是最大的，而尖頭形的幾乎沒有轉正力矩，這就有更大可能發生跳彈現象。

每種彈體頭部形狀（結構）對于不同靶板都有著不同的穿甲效果。在《桿式穿甲彈頭部形狀對威力的影響》文獻中指出，穿甲效果的體現是“彈道極限”。這個專業術語通俗理解就是擊穿靶標的最小速度。它的數值越小，性能越好。由此可見節目中的截頭式在性能表現上兼有半球形和穿甲塊式的特點，而外觀造型看著卻是尖尖的。

10層鋼板的門道

節目中另一亮點，是105毫米尾翼穩定脫殼穿甲彈擊穿了10層鋼板。雖然主持人聲稱，裝甲板共有10厘米厚。但從多角度來看，筆者是無法贊同的。因為鋼板有著固定用的框架，真實厚度遠遠小于這個數值。而此次演示尤為值得細觀之處在于難得一見的穿甲彈的穿甲后效、對鋼板侵徹破壞過程的直觀展示。

尾翼穩定脫殼穿甲彈對裝甲的破壞，一般認為屬于“破碎穿甲”。這個過程中，彈體一方面破碎，另一方面在穿過裝甲。演示中，彈體在與第一層鋼板接觸時，著靶速度是非常高的，撞擊所產生的壓力鐵定達到了10MPa。因此觀眾能看到，第一層鋼板兩面都是無凸起、無翻邊，穿孔邊緣可見完整的彈體尾翼形成的彈痕。這是標準的剪切破壞。

在后續的穿透多層鋼板的過程中，彈孔周圍開始出現了熔痕、翻邊（花瓣型破壞），孔徑變大、彈孔周圍出現淺坑、多個小彈孔等現象。這是在穿甲的過程中，侵徹鋼板后的擠壓、變形彎曲，以及破裂、拋出，彈孔的孔徑被擴大了。鋼板的碎屑與變形、破碎的彈體向著側面、后面的鋼板上飛濺，從而在鋼板上留下淺坑、孔洞等痕跡。彈體穿過裝甲造成的“后效”的飛濺物在坦克車體內飛濺，對人員和車載設備帶來致命的“二次毀傷”。另外，通過演示也可以看出，多層裝甲、間隙裝甲，對動能穿甲彈是多么的“無能為力”。

穿甲能力由何而來

根據沖擊理論，彈丸對靶板的侵徹深度L可近似寫為：L= αθ mvc2/ d2。式中m是彈丸質量；vc是彈丸著靶速度；d是彈丸直徑；αθ是系數。

由上式可見，欲提高穿甲的侵徹深度，必須增加mvc2/d2項的數值，也就是彈體單位橫截面積上的動能，在物理上這被稱為“比動能”。為了提高穿甲彈的比動能、提高穿甲彈的著靶速度，可采用的措施包括：加長火炮身管長度（提高口徑比），提高火藥能量，進而提高膛壓。在火藥能量的提升上，尤為值得一提的是“低溫感發射藥”（涂覆火藥）。節目中受訪的王澤山院士就與此相關。

2018年榮獲國家最高科學技術獎的王澤山院士是我國火炸藥領域的領軍人物。1996年他就憑借低溫感含能技術，摘得了國家技術發明一等獎。這項成果也有過公開報道，在某125毫米坦克炮上的應用非常成功。另外，在1993年和2017年王澤山院士還有科技成果獲得了國家技術發明獎一等獎。他因此也是國內為數不多摘得國家級科技大獎桂冠的“三冠王”。

傳統的穿甲彈發射藥，在常溫15℃情況下發射，其膛壓與初速是標準狀態。在高溫50℃情況下，發射藥的燃燒速度會變快，膛壓會升高。這個增量至少在15%左右。在低溫的情況下，其燃速又會降低，膛壓就變低了。由此穿甲彈的初速就因為溫度的變化而上下浮動。危險的是，坦克炮允許的最大膛壓是限定條件。如果因為外界溫度升高，造成坦克炮的膛壓高于安全值，就可能出現故障，嚴重時將會炸膛。

因此，為了使高溫下的火炮膛壓不超過最大膛壓，勢必要把常溫膛壓降低。這也就降低了常溫下的穿甲彈的炮口初速。而低溫感發射藥對穿甲性能的意義便不言自明。只要能使高溫下膛壓增量不大于5%或者更低，則相應的常溫膛壓可提高10%或者更高，這將大幅度地提高常溫和低溫下穿甲彈的炮口初速。