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【陸軍】現代穿甲彈原理簡介
2018/08/15 08:59
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一年前我發表了《現代坦克裝甲原理簡介》,照理説就應該也討論穿甲彈的原理。但是我找不到任何有關共軍的最新所謂“三期彈”技術的公開資料,所以就擱著,希望未來會有所發現。

現在忽然決定寫這篇文章,倒不是因爲發現了相關的新資料,而是由於《觀察者網》的軍事評論員席亞洲的一篇文章(參見《尾翼稳定脱壳穿甲弹不会跳弹?CCTV居然来打脸了》,https://user.guancha.cn/main/content?id=32309 )討論了這個問題,卻有明顯的謬誤,所以在此提供我的所知。

席亞洲對軍事很有熱情,一般也願意追根究底,把議題的來龍去脈搞清楚。我很喜歡讀他的文章,尤其是他和共軍内部人員有交往,也經常閲讀日本的軍迷文獻,所以是很好的中方和日方消息來源。但是他文章寫得多了,難免會有對共軍朋友的隻字片語做出誤解的案例。上個月他在一篇文章中說15式坦克的105毫米炮與共軍其它105毫米坦克炮的彈藥不能通用,顯然違反常理,就應該是一個這樣的例子;這次似乎也是如此。

言歸正傳,現代的穿甲彈都是“次口徑”彈藥(Sub-Projectile),也就是彈丸本身直徑比發射炮的口徑小得多。我在前文《談超音速彈丸》裏已經解釋過,這是爲了減小超音速飛行時的阻力:一根細長尖銳的鉛筆形狀,是Mach 5時阻力最小的外形。我多次提過的APFSDS(Armor Piercing 穿甲,Fin Stabilized翼穩, Discarding Sabot脫殼),早已與HEAT(High Explosive Anti-Tank)破甲彈并列爲各國坦克的標準配備。

APFSDS最早是二戰前的法國軍工人員發明的,當時還沒有尾翼,只叫做APDS。1940年,德軍閃電戰在六周内擊垮法國,APDS還沒有定型,項目人員隨即逃往英國,繼續他們的研究,一直到1944年初才量產,主要配備給英軍的6磅炮和17磅炮。其中的後者是英軍在二戰後期最重要的反坦克炮,能夠在1500米外擊穿Tiger的正面裝甲,APDS居功甚偉。英軍還把17磅炮硬是裝上了美國援助的Sherman(必須特別修改,并且倒轉90°,才裝得進Sherman的炮塔),成爲所謂Firefly(螢火蟲坦克,這是因爲17磅炮的炮口火焰極爲明亮,遠處看來像螢火蟲)。

在冷戰期間,APDS從二戰期間的多種穿甲彈設計脫穎而出(Pun Intended,亦即這裏的一語雙關是有意的),逐步把其它的穿甲彈種淘汰掉。由於新的主戰坦克的交戰距離,由二戰時的1500米漸漸延長到4000米,而次口徑彈丸的長徑比高,自旋穩定的效果不佳,不能保證4000米射程時的精度,於是加上了尾翼,變成了純靠翼穩的APFSDS。既然無須自旋穩定,那麽膛綫就徒然增加内彈道阻力、減低炮管壽命,因此蘇聯首先改用滑膛坦克炮,其他各國隨即跟進,只有英軍固守成規,仍然沿用膛綫坦克炮至今。另一個受APFSDS影響的,是炮口制退器(Muzzle Brake):不論研究人員如何努力,炮口制退器總是會影響彈托在出了炮口後的分離過程,從而降低射擊精度。因此在APFSDS普及之後,坦克炮的制退器就全被取消了。

與此同時,APFSDS的材質也從原本的鋼進化到鎢或者貧鈾(Depleted Uranium,DU)。我常常看到中文軍事論壇有評論說DU穿甲彈遺留在戰場上有嚴重的放射性毒害,只有全沒良心的美帝才會大量裝備使用,其實這是沒有科學常識的胡扯。貧鈾的半衰期極長、放射性極低,除非被成塊吞食,否則沒有顯著高於天然背景的放射性危險。貧鈾在環境中的毒性主要來自化學方面,但是比起鉛來,鈾的化學毒性還稍低一點;既然鉛在軍民各種應用極多,那麽只對貧鈾歇斯底裏,就不太理性。中、俄、英、法、德等國寧可用鎢而不用貧鈾的真正原因,有些是因爲沒有穩定廉價的來源(如德國),有些則是因爲貧鈾的晶體結構不穩定,十年左右就必須翻新,所以只適合財大氣粗並且窮兵黷武(在保證期内就會用掉)的軍隊。

前面的討論似乎暗示著貧鈾應用在APFSDS的性能要優於鎢,然而事實上這個比較是很複雜的。這兩種金屬的密度差不多,但是鎢的强度要遠高於貧鈾,所以使用後者的APFSDS長徑比不能超過30,否則容易折斷,而理論上長徑比越高、穿甲性能就越好。但是貧鈾有一個特性叫做Frangibility(和前面所提的晶體結構不穩定有關),在應力作用下會自行碎裂成銳利的破片,所以一般被中文媒體稱爲自銳效應。相對的,鎢彈丸在高速碰撞之後會形成蘑菇頭,結果穿甲的有效直徑會大幅增加。既然打的洞變寬了,消耗了額外的能量,穿甲深度就受影響。

總體來説,APFSDS用鎢或者貧鈾的理論穿甲極限,大致是相當的,但是貧鈾彈的最佳穿甲速度(太高容易折斷,太低則容易跳彈,而且能量也低)在Mach 5左右,而鎢彈的最佳速度則在Mach 6。目前世界最先進的120毫米和125毫米坦克炮發射10千克級別的APFSDS彈丸,初速在Mach 5和6之間。我在前文《談超音速彈丸》中提過,M829的速度衰減率是每公里Mach 0.13,最新的APFSDS長徑比更高,阻力更小,所以衰減率也更低,大約在每公里Mach 0.12左右。那麽在4000米的射程上,終端速度就在Mach 4.5左右。這對貧鈾彈不成問題,但是對鎢彈來説,就太低了。

正因爲美軍是唯一大量裝備了貧鈾穿甲彈的軍隊,所以對進一步提高坦克炮的初速特別沒有熱情。M1A1和M1A2用的都是1980年代從德國引進的Rheinmetall 120毫米炮,但是德國的Leopard 2坦克在2000年代從L/44(即炮管長徑比為44)升級到L/55,從而把初速增加了Mach 0.5,而美國人卻不覺得有需要。後來Rheinmetall設計了全新的130毫米炮,有更高的初速和炮口動能(號稱動能增加50%),共軍也試驗了140毫米炮,美軍仍然不動如山,主要就是因爲貧鈾彈所需的速度低於鎢彈(次要原因是M829A3和A4有其他優於德製彈藥的特點,參見下文)。國軍現在正計劃引進M1A1或M1A2,那麽不但裝甲極可能會是簡配版(即取消貧鈾裝甲板),如果得不到M829A2(我的印象是連日本也沒買到M829A2;A3和E4則被美國國會明文禁止出口),穿甲能力也要大打折扣,結果只怕連共軍的經濟型96A式坦克都能輕鬆擊敗猴版的M1。

由左至右分別是美國陸軍的M1A2,美國海軍陸戰隊的M1A1,和國軍可能獲得的M1版本

現實中,德國最新銳的DM53和DM63(基本和DM53相同,只是換用了對溫度不敏感的發射藥)APFSDS彈丸,即使由長管120毫米炮發射,頂多也只能和美軍1990年代就裝備的M829A2相提並論。M829A2雖然還沒有解密,畢竟服役了20多年,有關的公開資料還是足夠的。它的核心是一段貧鈾長杆,直徑22毫米,長度約680毫米。長杆後方是標準的尾翼和曳光藥,外圍是用很輕的合成材料(碳纖維?)製成的Sabot(彈托)(這是從M829A1進化到M829A2的最大改進,我個人猜測足以使炮口初速增加到接近Mach 5),前方則沿用一個尖銳的氣動外罩用來減低外彈道阻力;這是因爲貧鈾長杆本身必須是鈍頭的,以減低彈著點的側向應力。

席亞洲的分析就錯在這裏:他說M829A3和共軍的“三期彈”都取消了氣動外罩,改用新的尖銳彈頭,是中美獨有的秘方(原文是“如何解决这个容易跳弹的问题,又增加穿杆长度,那是目前只有中美两国在最新型穿甲弹上用了的技术”)。其實中美的APFSDS設計原理完全不同(部分是因爲裝甲的設計原理也不同,參見前文《現代坦克裝甲原理簡介》),所以雖然我對“三期彈”一無所知,但是仍然可以確定中美的實心彈尖(如果“三期彈”真的改用了實心彈尖)只是外表相似,其設計細節和考慮都必然不同,不能混爲一談。

M829系列的全家福;E4仍然在嚴格保密之下,美軍不願意展示剖視圖,可能是因爲新的Spigot Mortar機制會被很明顯地看出

要瞭解這些論點,我們首先檢視M829A3和E4的進化過程。它們和A2的主要差別,在於彈芯以及彈托增長了大約110毫米;由於Rheinmetall的120毫米炮采用一體式裝藥,彈丸總長達到800毫米(這還不含尾翼)並不成問題。貧鈾長杆本身的直徑已知是增加到25毫米,彈尖改爲實心也是被公開確認的事實,但是如果假設整個790+毫米的長杆都是貧鈾彈芯,就明顯地違反了事實和邏輯。

這是因爲如果整個長杆都是貧鈾,那麽它的體積和質量就比A2增加了51%,再加上彈托的增長和增重,彈丸的整體質量必須大幅增加(大約40%),裝藥容積卻減少,即使改用能量密度更高的發射藥(沒聽説,但並非不可能),既然炮管沒換,最大膛壓就不能變,那麽彈丸初速必然會降到Mach 4或更低。如此一來,穿甲能力大幅降低,完全不合邏輯。事實上,廠方宣稱彈丸總重增加11%,而穿甲深度增加5%,所以顯然彈芯不全是貧鈾。

美國陸軍一再强調,M829A3和E4的設計主旨,在於擊敗新型的俄製ERA(Explosive Reactive Armor,爆炸式反應裝甲,參見前文《現代坦克裝甲原理簡介》),例如Kontakt 5,Relikt(用在T90)和Malachit(裝備在Armata坦克上)。它們對長杆穿甲彈芯施加比以往更强的側向切力,所以貧鈾彈芯的長徑比不再能像以往一樣達到30。A3的貧鈾彈芯直徑從22毫米增加到25毫米,就是爲此,所以長度當然不應該隨著增加。而且美軍APFSDS彈芯的長度,原本就不是限制穿甲深度的因素(這是和共軍彈丸的一個明顯對比,參見下文);那麽爲什麽研發單位(ARL,Army Research Laboratory,美國陸軍研究實驗室)硬是把它拉長了110+毫米呢?

我覺得遠遠最可能的解釋,是美軍在670毫米長的貧鈾彈芯(670-680毫米似乎是貧鈾彈芯的最優長度,所以M829A1和A2都采用了多年)前面,加了一段110-120毫米長的鋼芯。這段鋼芯的用途,在於引爆ERA,吸收它的側向切力。因爲鋼芯和貧鈾長杆之間,沒有剛性的連接,所以後者可以不受影響地沿原彈道方向侵切主裝甲。既然這段鋼芯不是要擊穿主裝甲用的,那麽自然不需要考慮跳彈現象,也就不在乎是銳頭還是鈍頭,可以直接取消氣動外罩。鋼的密度只有鈾的42%,所以總重的增加並不多。A3的尾翼明顯增長,翼片盡量向後延申,這也和彈芯的重心後移相吻合。

至於M829E4,消息更含糊,但是據傳增加了電子元件,那麽我個人猜測極可能是在鋼芯和貧鈾長杆之間加裝了微量炸藥,利用Spigot Mortar(細杆迫擊炮)的原理,由電子定時裝置在接近目標的時候,提早引爆,把鋼芯向正前方發射出去。如此一來,鋼芯比貧鈾長杆提前幾百或上千毫米抵達彈著點,不但能更安全地引爆ERA,連主動防禦系統(Armata已裝備,共軍也有原型公開示範,目前的反應速度對APFSDS還不構成威脅,但是將來有可能改進)也有可以繞過的潛力。

Spigot Mortar原理示意圖

至於共軍的APFSDS,和美軍的有兩個很大的差別,除了用的是鎢彈芯之外,共軍的125毫米坦克炮使用俄式的兩截式彈藥,所以彈芯總長無法超過大約600毫米(含尾翼,新式俄製鎢彈芯長555毫米)。目前已知這是共軍穿甲彈性能進一步提升的最大限制因素(鎢彈芯的最優長度遠大於600毫米,例如DM63鎢彈芯總長為685毫米+60毫米尾翼)。再加上美國的M1系列並沒有采用ERA,所以犧牲寶貴的彈芯總長,來加裝美式的鋼芯前端,完全不合理。

我已經一再聲明,我對共軍的“三期彈”一無所知,但是從基本原理來推測,共軍的穿甲彈,在不增加口徑、也不改爲一體化彈藥的前提下,要再提升性能,必須從減小鎢彈芯的蘑菇頭來著手。可能的手段主要是1)改用Frangible的新型鎢基合金或纖維質材料,或者2)改為多層結構。以上兩者都不能解釋爲什麽彈頭尖端會被改為實心,然而我們可以確定的是,它不可能是出於與美軍穿甲彈相同的考慮。

【後註一】“世界對白”把這篇文章轉載到《觀察者網》之後,有很多大陸讀者留言批評,大多是無知無智之輩,無須在意。但是有幾個評論有内涵,我在此回應:

首先,貧鈾的確是有些輻射性的(大約是天然鈾的40%),但是主要必須有塊狀物進入體内,才會有測量得到的輻射傷害。戰場的事後處理,可以相對簡單地將殘餘的貧鈾彈芯找出來,集中掩埋;一般工業用手套和面罩就足夠,無需專業的輻射性防護設備。戰場的諸般殘骸中,有劇毒的物質(例如使用液體燃料的火箭)很多,相對下貧鈾並不突出。我在正文中是這個意思,或許説得過於簡略了。

文中説M1不用ERA,這也是簡略的説法。精確地說,是M1的標準裝甲沒有ERA。在進行治安戰時,為了防護步兵反坦克武器,M1可以在履帶外加挂ERA,不過這些ERA沒有傾斜角,對APFSDS完全無效,只能阻擋使用HEAT彈頭的APG(反坦克火箭彈),所以和本文的討論無關。

文中最後一段,討論共軍的穿甲彈提升性能的發展方向,我沒有提增加膛壓、從而進一步增加初速的可能性,是因爲這是全炮優化設計的一部分,早在多年前中方的研究人員就已經把它的潛力挖光了。就像過去20多年,Rheinmetall根本不再考慮這個方向一樣,現在討論共軍125毫米炮還炒作這點,也毫無意義。

【後註二】美軍最後決定裝備的新穿甲彈,名字從E4(Electronic)改成了A4(Advanced),而且確定不使用電子元件。所以M829A4與A3相比,只有兩個很小的改動:1)由四瓣彈托改爲三瓣;2)改用與德國DM63類似的溫度不敏感發射藥。這兩個改進,只對精度有益,對穿甲能力不會有顯著的影響。

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