反装甲弹药发展史:战场装甲车“克星”
2014-10-29 14:22:00   来源:新华网
内容摘要
在各种反装甲弹药中,穿甲弹无疑是历史最悠久、使用最广泛的反装甲弹药。它的原理说起来很简单,就和普通的枪弹一样,利用弹丸的动能破坏目标。其特殊的弹头结构加上特别大的动能,使它有能力击穿装甲钢板。

自第一次世界大战坦克投入战场开始,兵器设计师们一直致力于开发各种有效的反装甲武器。在反装甲武器的发展史中,反坦克枪、反坦克炮、火箭筒、无后坐力炮、反坦克导弹等先后出场,上演了一幕幕“甲-弹”争风的活剧。但是在这个过程中,我们往往更多关注武器,而忘记了一个重要的配角--反装甲弹药。不少初入门的军事爱好者对穿甲弹、破甲弹、碎甲弹等弹种的原理也没有完全搞清楚。因此在本文中,笔者试图根据技术发展的轨迹,介绍上述三种反装甲弹药的发展史。

 

长盛不衰--穿甲弹

在各种反装甲弹药中,穿甲弹无疑是历史最悠久、使用最广泛的反装甲弹药。它的原理说起来很简单,就和普通的枪弹一样,利用弹丸的动能破坏目标。其特殊的弹头结构加上特别大的动能,使它有能力击穿装甲钢板。

在穿甲弹家族中,最早出现的是尖头穿甲弹。其弹头是由淬过火的钢材制作而成的,头部呈尖型,利用巨大的动能撞击目标造成穿透。为了提高击穿装甲的杀伤后效,不少型号在弹丸底部设有一个小的空腔,内部装少量炸药,可以在击穿装甲后爆炸杀伤车内成员。这种穿甲弹使用了较长时间,但在使用过程中,人们逐渐发现它有一个明显的缺点,就是当击中倾斜的装甲时,弹头非常容易发生跳弹和弹头破碎的现象。这个问题一直困绕着使用者和设计师。

为了解决这个问题,设计师们发明了它的进化版本--钝头穿甲弹。这种穿甲弹头部不再是尖锐的,而是平钝的形状,这能在一定程度上避免发生跳弹。因为弹头变成了钝形,增加了飞行中的空气阻力,所以设计师在其头部增加了一个轻金属制作的尖头风帽,可以在飞行中减小空气阻力。当击中目标后,风帽粉碎,不会影响弹头正常穿甲。

但是,钝头穿甲弹防止跳弹的性能仍旧不理想,为了更好地解决这个问题,设计师继续改进,研制出了新一代弹药--被帽穿甲弹。该弹的弹头前有一个由韧性好的合金制作的“帽子”,当炮弹击中目标时,被帽可以让弹头“粘”在弹着点上防止发生跳弹。被帽在撞击装甲并破损的同时,也给装甲表面造成一定的损坏,有利于完整的尖形弹体继续穿甲。在被帽前面也有一个减小阻力的风帽,因此该弹也被称为风帽被帽穿甲弹。这种穿甲弹对付有倾斜角的装甲、特别是经过表面硬化处理的装甲效果较好,所以从二战到战后初期一直是反坦克火炮的主用弹种。

面对穿甲弹性能的不断提高,作为“盾”的一方--坦克的装甲--也变得越来越厚。在二战初期,各国的主力坦克都是轻型坦克,正面装甲厚度很少有超过25毫米的,而到了二战后期,作为战场主力的中型坦克首上装甲厚度普遍超过了60毫米,而重型坦克的装甲厚度更是惊人,德国“虎王”重型坦克、苏联的IS-2重型坦克前装甲厚度都达到了100毫米以上,而“菲迪南”坦克歼击车的前装甲厚度更是达到了空前的200毫米。面对不断增厚的坦克装甲,传统结构的穿甲弹要提高穿甲能力,唯一的办法就是增大动能,这就需要更大的口径、更大的初速……这样一来,反坦克火炮的体积也变得愈加庞大。显然,这种直线思维并不能解决问题。那么,有没有别的方式能提高弹丸的初速和动能呢?设计师们在弹丸的结构上动起了脑筋。他们用轻金属外壳包裹一个相对较细,但是用硬质合金比如碳化钨制作的弹芯,由此诞生了一种新的穿甲弹--高速穿甲弹。这种弹药内部没有炸药,纯粹靠动能摧毁目标。因为弹体除了弹芯外都用轻金属制作,所以在同等口径、同等发射药量的情况下可以得到更高的初速。例如德国“虎”式重型坦克的88毫米L56炮配用的88毫米Pzgr40高速穿甲弹,弹头重4.9公斤,初速达到了930米/秒,而同口径的Pzgr39被帽穿甲弹初速只有733米/秒。更高的初速意味着击中目标时的动能也更大,穿甲能力也更强。同样拿“虎” 式坦克的穿甲弹举例:Pzgr39被帽穿甲弹在500米距离上对30°倾斜均制装甲的穿深为110毫米,而同样距离上Pzgr40高速穿甲弹则达到了156毫米。但是这种高速穿甲弹也有缺点,为了追求高初速,不得不尽可能降低弹丸质量,这样弹丸虽然在近距离拥有很大的穿甲深度,但距离一远,风偏和速度衰减的情况要比弹丸更重的传统穿甲弹更加严重。所以高速穿甲弹的射击精度和穿深随着射击距离的增大而迅速变差。

但是,当高速穿甲弹发展到一定程度以后,技术瓶颈又一次出现了--为了进一步提高初速,要么继续减轻弹丸质量,但这样精度和穿深随距离衰减的问题会更加严重;要么增大弹丸口径,增加火炮药室容积,但这样一来火炮的结构又会庞大,而且在弹丸飞行过程中,外面的轻金属外壳就是没有意义的“死重”,增大口径显然会进一步增加“死重”,反而会降低初速。这种技术上的矛盾到了二战末期被英国人解决了。他们在著名的17磅反坦克炮上使用了一种新弹药--次口径脱壳穿甲弹。这种穿甲弹可以认为是在高速穿甲弹的基础上去掉了风帽后进一步发展的产物。它也有一个轻质的“外壳”,但这个外壳并不是在整个飞行过程中都和弹芯结合在一起,而是在飞出炮口后就自动飞散脱落,只留下尖细的弹芯在空气中飞行。这样一来,弹丸可以获得很高的初速,而且空气中受到的阻力也大大减小,“死重”也不存在了。因此,次口径脱壳穿甲弹一度成为了穿甲威力最大的穿甲弹而倍受青睐。

技术的发展是没有止境的,很快,军队对线膛炮发射的次口径脱壳穿甲弹性能也变得不满意了,希望有威力更大、穿甲能力更强的穿甲弹出现。这里又要说到技术瓶颈了--为了有更大的穿深,就要有更大的比动能,而这需要弹芯有更大的密度,更长的弹芯长度。可是飞行中的炮弹会高速旋转,如果弹芯很长,那么在旋转时由于芯体的弹性就会发生抖动,这会严重地影响弹丸的射击精度。所以,如果不脱离线膛炮的思维定势,弹芯的长度就无法继续增加。设计师们认为:如果不让弹芯旋转,采用滑膛炮不就可以了吗?至于弹丸在空中飞行的稳定问题,可以用尾翼来解决。这导致了威力更大的尾翼稳定脱壳穿甲弹的出现。这种穿甲弹的弹芯长度更大,当弹丸飞出炮口后,弹托立即飞散,只留下又细又长如同飞镖一样的弹芯在空气中飞行,击中目标时的比动能也相当大。为了提高穿甲能力,弹芯大多采用钨合金或者贫铀合金制造。这种结构的穿甲弹对装甲的穿透能力也达到了空前的程度,西方国家装备的120毫米尾翼稳定脱壳穿甲弹在2000米距离上对均质钢装甲的穿深大多达到了800毫米级别,这是过去的穿甲弹所无法企及的。由于尾翼稳定脱壳穿甲弹性能超群,不少线膛武器也开始使用,不过为了防止膛线让弹芯旋转起来,这种穿甲弹的弹托上有一圈活动的弹带,就像轴承一样,可以让炮弹通过膛线时不旋转。现在40毫米、35毫米的自动火炮上大多配有这种弹药。

在反装甲弹药发展史上,虽然其他类型的反装甲弹药比如破甲弹一度对穿甲弹的地位形成冲击,但是随着复合装甲与反应装甲的出现,破甲弹的作用被严重削弱了,而复合装甲与反应装甲对穿甲弹的防护作用要比对破甲弹小,因此穿甲弹仍然是反装甲弹药的绝对主力,并且这种地位在可以预见的将来依然会保持下去。

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红极一时--破甲弹

比起穿甲弹,破甲弹的历史要短暂得多,破甲弹出现在战场上已经是二战时候的事情了。要讲明白破甲弹的原理就得从“门罗效应”讲起。门罗是美国人,1888年他在一次炸药爆破试验中发现,一个实心的炸药柱放在钢板上引爆,只能将钢板表面炸一个小坑;而如果将一个有锥形空腔的药柱锥形开口朝下放在钢板上引爆,却能在钢板上结结实实地炸个洞。这种锥形装药形成的聚能爆破效应就被称为“门罗效应”。在当时,还没有人认识到这种效应的军事价值(因为坦克还没有发明出来)。到了1930年,一名叫伍德的人发现,如果在这个锥形空腔内镶上一个形状一样的金属罩,可以大幅度增强破甲能力。也就是从上世纪30年代开始,各国的军事家逐渐认识到“门罗效应”在军事上的巨大潜力,开始尝试设计空心装药结构的反坦克弹药。

破甲弹药的基本原理是这样的:当炸药爆炸时,锥形的空腔可以汇聚炸药爆破的冲击力,而在爆炸的同时,贴在空腔内部的由金属制作的药型罩也会在汇聚起来的高温和高压作用下,凝聚成一股温度极高、速度极大的金属射流,沿着圆锥轴线方向高速喷出。这股力量冲击到装甲钢板上,就象用高压水枪冲泥巴一样,立即冲出一个洞来。金属射流冲破装甲后,可以在车内飞溅,对车内人员进行二次杀伤,或者引爆弹药和油料造成坦克殉爆。除了金属射流,炸药爆炸产生的高压气体冲进装甲车辆内也会形成超压,将对乘员形成杀伤。比起传统的穿甲弹,破甲弹药有这样几个好处:一是破甲威力和射击距离没有关系,不存在射击距离越远威力越小的情况;二是不依赖武器初速,用低初速的武器发射也不影响破甲能力。这样一来,火箭筒、无后坐力炮、枪榴弹等武器都具有与坦克较量的能力,而且由于这些武器重量较轻,可以下放给更小的步兵单位甚至单兵使用,使步兵也可以和坦克交战。另外,一些身管较短、初速较低的火炮比如榴弹炮、步兵炮等在配备了破甲弹后,也可以对付坦克。似乎在很短的时间内,反坦克的手段一下子多了起来。也就在这个时期,大批运用破甲弹原理的反坦克武器出现在战场上,比如美国M9“巴组卡”火箭筒、德国“铁拳”以及苏联RPG-43反坦克手雷。

但是在实战中,科学家们发现破甲弹药并没有像预想的那样效果显著,多数时候实际破甲威力和理论值相差甚大。例如,在二战中德军给24倍口径75毫米炮配发了破甲弹,按照理论值,破甲威力能达到近200毫米深度,足以对付大部分装甲车辆。但是在实战中,其破甲能力远没有那么高。除了身管火炮发射的破甲弹,火箭筒、枪榴弹等武器也有同样的问题。这让科学家们好一阵苦恼,一直到战争结束,也没有彻底解决这个问题。

直到战后,问题的症结才被发现。原来,造成破甲弹实际威力与理论值相差甚大的原因主要有两个:一是火炮发射的破甲弹因为膛线的作用在飞行过程中始终高速旋转,在击中目标弹药爆炸时,弹体自身高速旋转带来的离心力使金属射流分散了,威力自然就下降了许多。解决这个问题的办法很简单,使用滑膛炮发射,不让炮弹旋转就可以了。这也是战后滑膛炮兴盛的一个重要因素(另一个因素就是前文讲到过的尾翼稳定脱壳穿甲弹的使用)。另一个原因是,破甲弹虽然有很高的理论破甲值,但这需要破甲弹的金属射流达到一个汇聚最佳距离,叫做炸高,只有在这个距离上才可以得到截面积最小、密度最大的金属射流,相应的破甲威力也就最大。如果距离过近,射流还没有汇聚到最密集的程度,破甲威力就大打折扣;如果距离过远,射流可能断裂,同样影响破甲效果。这就要求引信在达到最佳炸高时精确地“一触即发”。在二战时期,破甲弹还是采用传统的机械引信,这种引信由于本身技术的限制哪怕做得再灵敏也无法达到理想的瞬发性能,而且如果做得太灵敏了对平时的储存和勤务操作而言都是危险,因此,破甲威力一直受到限制。到了战后,一种新型引信的出现终于解决了这个难题,这就是压电引信。压电引信的原理是在弹体头部装一块压电陶瓷,这种陶瓷在足够力度的撞击下能产生一个电压近万伏的脉冲电流,靠脉冲电流来引爆雷管。它既有足够的反应速度,又有比较高的阈值,保证没有足够的撞击力就不会击发。在解决了弹体旋转和引信的问题后,破甲弹一时大放异彩,凭借巨大的破甲深度(相对于当时的穿甲弹而言)一度兴起了一场反坦克武器的革命,似乎一夜之间,传统的穿甲弹就要被破甲弹取代了。而且,大量新型反坦克武器比如RPG-7火箭筒、AT-3反坦克导弹、“陶”式反坦克导弹……相继出现,这些反坦克武器家族的新成员比“老大哥”反坦克炮轻巧灵便,威力惊人,可以方便地隐藏在战场隐蔽处随时给坦克致命一击。这种变革不但冲击着身管火炮和穿甲弹在反坦克武器中的地位,连坦克的地位都被动摇了,一时间“坦克无用论”、“反坦克武器万能论”喧嚣尘上。

但好景不长,很快坦克找到了对付破甲弹的办法--反应式装甲和间隙装甲。前者由许多个装了钝感炸药的小盒子组成,挂满坦克表面。当破甲弹弹头击中它爆炸的时候,小盒子里的炸药也一同爆炸,产生的冲击力可以将金属射流冲散偏转,保护主装甲;后者则是将金属空腔结构体或者金属栅栏固定在主装甲外,当被破甲弹击中后,让破甲弹离开主装甲一定间隙引爆,利用空腔结构或者空气吸收金属射流能量,减弱金属射流对主装甲的冲击。两种方式价格低廉,但效果明显。而且随后,坦克主装甲的技术也发展了,新型的复合装甲代替了原本的均质钢装甲,它利用质地不同的金属和非金属材料多层叠合,抗弹能力大大提高,在它面前,破甲弹的威力更是大打折扣。也就在这时期,已经“进化”到尾翼稳定脱壳穿甲弹的穿甲弹穿深显著提高,原本对破甲弹的劣势迅速追平。更值得注意的是,不论是反应式装甲、间隙装甲还是复合装甲,对抗穿甲弹的效果都不如对抗破甲弹那么明显,相反尾翼稳定脱壳穿甲弹却是目前对付复合装甲效果最好的弹种。因此,破甲弹在经历了短暂的辉煌后又黯淡了下来,身管武器的反装甲弹药依旧以穿甲弹为主。

但是破甲弹也在“进化”,首先为了对付间隙装甲和反应式装甲,出现了串联破甲战斗部。这种战斗部是在主装药结构前再装上一个小的锥形装药战斗部,当弹药击中装甲时,前面的小战斗部爆炸,虽然其能量会被间隙装甲吸收消耗,或者被反应式装甲的爆炸分散抵消,但是为后面的主装药开辟了道路,后面的主装药因为没有阻拦,能够不受干扰地直接破坏坦克主装甲。这种战斗部被广泛地用在了反坦克导弹和反坦克火箭筒上。例如中国的“红箭”-8反坦克导弹和PF89反坦克火箭筒,其反坦克弹药都是这种串联战斗部结构。

除了串联战斗部外,破甲弹也在朝另外的方向发展。人们发现虽然破甲弹已经“威风不在”,对付主战坦克力不从心,但对付轻型装甲车辆和各种工事还是完全能够胜任的。这些目标如果也用尾翼稳定脱壳穿甲弹射击,将会出现严重的动能过剩,而且因为尾翼稳定脱壳穿甲弹不会爆炸,对这些目标造成的破坏太小,而这个时候破甲弹的新变种--多用途破甲弹就有用武之地了。这种弹药保留了破甲弹的锥型装药结构,但适当加大了装药量和破片数量,对目标的爆破效果和对人员的杀伤效果大增,有的还在战斗部周围加装了燃烧颗粒,能在爆炸的同时纵火,起到一弹多能的作用。因为这种弹药用途广泛,所以被当作攻坚武器大量使用,让火箭筒和反坦克导弹成为多面手。同时,主战坦克也装备了这种弹药,用来对付轻装甲目标、工事和其他无防护的软目标,在西方国家主战坦克上,多用途弹甚至完全代替了传统的杀伤爆破榴弹。

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昙花一现--碎甲弹

在前些年的春节联欢晚会上,黄宏、巩汉林主演的小品《装修》大家一定还记得。“黄大锤”高喊着“80!80!”奋力挥锤的时候,墙壁虽然还没砸穿,但反面肯定是砖屑崩裂,碎片纷纷落下了。这种现象叫做“崩裂效应”。而这里要提到的碎甲弹就是利用这种效应打击装甲目标的。 碎甲弹的出现非常晚,直到上世纪70年代才由英国人发明。它的基本原理是当撞击到目标装甲时,刚度较低的弹体迅速变形,紧贴在装甲表面,内部的塑性炸药随即爆炸,产生巨大的爆轰冲击波,利用前面提过的“崩裂效应”将目标装甲的内层震裂,产生碎片在车体内四散飞溅,起到杀伤人员和破坏装备的作用。因此,碎甲弹的结构也和其他弹药有许多不同的地方:为了增加炸药在装甲上的堆积,需要增加弹体内腔容积以装填更多的炸药,碎甲弹的弹头很短,圆柱部很长,作为定心部,有利于提高射击精度,所以弹体形状像个氧气瓶;为了使弹体容易变形,弹头部分壁厚较薄,有的仅为1.5~2.5毫米,但头部到尾部壁厚逐渐增加,以便于安装弹带,且适当增加弹尾部质量以增强前冲动能,有利于着靶时炸药的堆积;因为要让弹头变形,弹体外壳采用较软的钢制造。

碎甲弹内部装填的是猛度较高、感度较低的塑性炸药。主要原因是击中目标时冲击动能非常大,弹体头部的炸药会承受巨大的冲击、挤压和摩擦,如果炸药感度过高,很可能引起弹药早炸。因此有些碎甲弹的弹头锥形部分装填的是感度极低、威力较小的弹性炸药,用它来抗击冲击,弹体中部才装填用来碎甲的塑性炸药。碎甲弹一般采用机械式惯性引信,它能自动调节起爆时间。当弹丸在不同距离上击中目标时,弹丸着速不同,距离近则着速大,炸药堆积时间短,反之则着速小,炸药堆积时间长。由于机械惯性引信有一段短延期时间,可以保证炸药堆积,它的起爆时间取决于撞针的前冲速度,而撞针前冲速度又取决于着靶速度,因此,机械惯性引信能自动调节起爆时间。

比起反装甲弹药的前辈们,碎甲弹有许多独特的优点,比如后效大、威力大、对初速要求较低、不会跳弹等。过去,有倾角的装甲可以让穿甲弹和破甲弹发生跳弹,但是这却对碎甲弹无效,因为碎甲弹弹体比较软,可以粘滞在倾斜装甲表面,而且当碎甲弹命中倾斜装甲时,因为倾角的关系在单位面积上堆积的炸药会比命中垂直装甲时来得多,爆轰的效果更强烈,对装甲的破坏作用更大。而且比起穿甲弹和破甲弹,碎甲弹的成本较低。所以在当时,碎甲弹作为反装甲弹药一度非常流行。

可是没多久,英国于1976年研制了世界上第一种复合装甲--乔巴姆装甲。这种装甲由装甲钢板和陶瓷材料叠压在一起组成,抗弹能力大大超过了传统钢装甲。因为其优势巨大,很快各国新型主战坦克的炮塔正面装甲和车体首上装甲都变成了复合装甲。当碎甲弹击中复合装甲后,虽然爆轰波能够震碎表面钢板的内层,但是由于有陶瓷材料的阻挡,碎片无法飞进车体内部,特别是复合装甲的最内层一般是用韧性较好的钢板制作的,不但不会被爆炸的冲击波震碎,还会阻挡残余的碎片。随着复合装甲的大量普及,碎甲弹的优点很快变得没有意义了,所以迅速从反装甲弹药家族中淡出。

有意思的是,由于碎甲弹是英国人发明的,英国人对其青睐有加,当其他国家纷纷淘汰碎甲弹的时候,英国迟迟不舍得放弃,依旧顽固地使用碎甲弹作为主战坦克的弹药。英国人的想法是,虽然碎甲弹对付现代主战坦克的正面装甲已经是不行了,但是坦克的侧面装甲依旧使用传统钢装甲,而且厚度不大,用碎甲弹射击坦克的侧面还是有效的。另外,碎甲弹炸药装填系数大,爆炸威力大,可以作为多用途弹药代替爆破榴弹和破甲弹,射击各种轻型装甲车辆、非装甲目标和各种工事建筑物等仍然能获得满意的效果。因此,在英国的“挑战者”I/II型主战坦克上,依旧配备有碎甲弹。

不过,由于滑膛炮在威力、可维护性方面的巨大优势,固执的英国人也不得不考虑使用滑膛炮代替传统的线膛坦克炮。但是碎甲弹是和线膛炮配套的,一旦主战坦克改用滑膛炮,英国人将不得不放弃青睐已久的碎甲弹,这令英国人非常为难。经过了数年的思想斗争,在几年前,保守的英国人终于松了口,将“挑战者”坦克的主炮换成了西方国家普遍使用的德国莱茵金属公司产120滑膛炮。至此,英国主战坦克使用碎甲弹的历史终于结束。