轮式突击战车是快速打击小能手,杆式穿甲弹用

  出品:科普中国

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  出品:科普中国

  作者:西南交通大学国防教育协会

水手们在给某尼米兹级核动力航空母舰上的锚上漆(图片来自:美国海军Ian A. Cotter)

  作者:军事科普创客 鹰击长空J10

  监制:光明网科普事业部

  

  监制:光明网科普事业部

  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。

  众所周知,上至航空母舰,下至各种驱逐舰都有锚。问题来了,水下的潜艇完全不惧海面上的巨浪滔天,它们可静静地悬浮于海里的某个深度下,此时,它们还有必要配有锚吗?假如有,又是在什么情况下使用?

  战车,一直是战场士兵的守护者。它们的存在不仅大幅度降低了步兵在战争中的伤亡率,更是将作战效率做到了最大化,在兵力投送、突击掩护、战略撤离等方面均有战车的身影。而在现代战争更为复杂的环境中,战争地形也从过去单一的山地、丛林、丘陵、荒漠变为了城市环境、平坦公路等新的地貌特征。而轮式突击战车则是在这种变化下的“进化”,是对传统履带式战车的性能发展和功能侧重。

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  无图无真相,咱们就用图片来分别展示二战时的潜艇、现代常规潜艇以及核潜艇上的锚。

  在未来战场上,大规模的野外作战将越来越少。反之,以城市为背景的局部地区军事冲突将成为主角。在这种新时期的战场变革中,轮式突击战车将以自身独特的优势来实现快速打击和轻重互补。

  美国M829A2型APFSDS脱壳的瞬间

  二战潜艇上的锚

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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。

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  轮式战车在经过诸多改良后,也拥有了媲美履带式战车的高通过性。

  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。

图为一艘巴劳鱵级潜艇USS Bowfin(SS-287)(图片作者Max Smith)

  变革带来的进化之路

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  相较海军、空军的军事装备,陆军军事装备在进入新世纪后发展缓慢。在新的战争环境下,究竟是继续研发火力更猛、装甲更厚的履带式坦克,还是转向轻便灵活,更为适应城市战的轮式战车,成了各国陆军尝试的方向。在这个基础上,轮式突击战车便借着“东风”快速发展起来。

  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)

  巴劳鱵级潜艇是美国海军在二战时建造的一种潜艇,它是猫鲨级的改进型,由于设计出色(主要是便宜),美国一共建造了120艘同级舰,这让巴劳鱵级成为美国历史上建造量最大的潜艇。那么,它使用锚吗?

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  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。

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  轮式战车的部分型号用了自动变速箱,降低了驾驶员的操作难度。

  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。

被称为“珍珠港复仇者”USS Bowfin(SS-287)现在位于夏威夷的潜艇博物馆(图片来自expedia)

  近些年,以俄罗斯BTR-90装甲车、中国ZBL-09式装甲车为代表的一系列轮式突击战车如雨后春笋般出现并相继装备各国部队。各国的轮式装备普遍弱化了火炮而强化了机动能力,可以说很好的抓住了“机动”这一关键点。30毫米火炮、6×6轮式编组或8×8轮式编组、有效防止炮弹碎片袭击的装甲等一系列关键参数也成为了各国突击战车的标配。

  但是贫铀也有缺点:

  

  “快起来”与“稳起来”

  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。

  如上图,巴劳鱵级潜艇是有锚的。

  作为轮式装备的代表,百姓日常使用的汽车再普遍不过,很多人都会问如果轮式战车“爆胎”了怎么办——各国陆军在研发轮式突击车首要考虑的问题就是这个——现阶段普遍的轮式战车均采用了防爆机制,也就是说,轮胎在遭受地雷或机枪袭击时,即使外层破损仍可以保证车辆正常行驶;轮胎的中央充放气系统可让驾驶员在行进间通过调节轮胎气压来改变轮胎着地面积,从而增强车辆穿越沙漠、沼泽等松软泥泞地带的能力。这样,相较履带式战车已经“快起来”的轮式战车更可以“稳起来”。

  贫铀化学活性高,容易氧化变质,不利于长期储存。

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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。

图片来自expedia

  轮式战车也可以像履带式战车那样,拥有很高的爬坡角度。

  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。

  

  未来战争将是比拼速度的战争,从各类高超声速导弹到隐身战机,都慢慢朝着速度发展。而陆军装备重要代表之一的战车,轮式化也是其发展的重要方向。毕竟其速度快、城市适应能力好的优势非常适合未来战场环境。而越来越重要的战斗人员运输与城市平民撤离,也会依靠于速度够快的轮式战车。在这个细分方向上,轮式战车将对快速突击、城市冲突应对等方面,发挥越来越重要的作用。

  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。

  再来看德国的潜艇,也是有锚的。

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  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。

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  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。

位于德国海军纪念馆的U-995潜艇(图片作者Darkone)

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  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。

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  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。

  图片作者Darkone

  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。

  如上,二战时期的潜艇,它们所携带的锚非常简陋,但现在常规潜艇上的锚就不一样。

  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。

  现代常规潜艇

  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”。

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  提高钨合金弹穿深最直接的方法是增大发射初速。

这是一艘日本汐潮级柴电潜艇,退役后供展览(图片作者:Fuji-s)

  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。

  如上图,现代常规潜艇使用“水滴型”外观,显得非常圆润。如果其上的锚还是那样傻大黑粗就不合适了。所以,它的锚是这样的。

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