破甲彈爲什麼要用紫銅作爲藥型罩的材料?

HYD知


根據經典聚能裝藥理論,藥型罩材料的密度越高,動態延展性越好,破甲穿深越深;另外,藥型罩材料的聲速越快,射流伸長速度越快,亦有利於射流破甲。然而,由於射流斷裂時間和凝聚性受藥型罩晶粒大小和均勻性的影響,要形成長度夠長且穩定的射流,藥型罩材料必須具有高密度、高聲速、高動態伸長率以及細晶粒等特性。

因為銅材料的密度和聲速較高,且塑性較好,射流動態延展性好,是目前應用技術最成熟和最廣泛的藥型罩材料。國內外通過系統的研究銅材料的晶粒結構、尺寸、再結晶溫度、雜質含量等參數以及藥型罩成型工藝(衝壓銅、旋壓銅、電鑄銅和單晶銅)對射流性能參數的影響發現,銅材料在破甲性能上的潛力已經挖掘近乎枯竭,需要去尋求更加性能優越的單金屬或者多相複合材料,用以進一步提高現代化反坦克武器的破甲水平。

從現在的藥型罩材料的研究進展來看,鉬的密度大、聲速高、動態韌性好,具備形成高能射流的特性。美國已經採用高能鍛造法制備出鉬合金藥型罩,經過實際測試,其的破甲穿深較相同結構的銅藥型罩提高了35%;鎢的密度大、聲速高,但是在室溫條件下脆性明顯,而且因為鎢的熔點較高,鍛造難度大,一次衝壓成型較為困難,儘管鎢射流表現出良好的延展性,作為破甲彈藥型罩應用還有待技術上的突破;貧鈾的密度很大,延展性好、點火燃點低,500攝氏度就能在空氣中著火併且劇烈燃燒,貧鈾射流擊穿裝甲後還能造成獨特的縱火效應,歐美和俄羅斯等國已經在多個型號的破甲戰鬥部上進行應用;多相複合材料藥型罩是利用不同的金屬或者合金物理、化學性質的優點而製備的,常見的有鎢銅合金藥型罩、貧鈾合金藥型罩,但是製備成本較高,無法廣泛的應用於戰場上大量消耗的單兵破甲武器。

此外,由於鉭合金藥型罩具有高密度、高熔點、良好延展性,已經被各主要軍事強國作為新型藥型罩材料應用到聚能戰鬥部,其破甲/毀傷射流速度、射流頭尾速度差、長徑比等主要性能指標,都大大優於傳統的紫銅藥型罩,且毀傷破口也較大,更加適宜作為各種型號聚能戰鬥部的藥型罩材料。


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在回答為什麼之前,先給出一個結論,

破甲彈並非都是使用的紫銅藥形罩,在破甲彈發明早期,確實有很多種彈藥使用的鐵(鋼)質藥形罩,紫銅藥形罩是經過改良的成果。目前有多種單金屬和合金藥形罩已經研發成功和正在研發過程中,紫銅藥形罩也有被取代的可能性。我將從破甲彈的原理開始講解,為什麼現在主流仍是紫銅藥形罩。

門羅效應

門羅效應又叫做聚能效應,是破甲彈得以“破甲”的基本原理。簡單說來,就是爆炸產物在高溫高壓下基本上是沿炸藥表面的法線方向飛散。因此,帶有凹槽的裝藥在爆炸後會在凹槽的軸線上匯聚起一股高溫高速的爆炸產物流,這樣便能將炸藥爆炸的能量以這種形式匯聚起來。

如果在凹槽處襯上一個金屬罩,當炸藥爆炸時,金屬罩被壓垮融化(此處融化不太嚴謹,因為金屬射流仍是固體,只是可以看作流體),在軸線上形成一道高溫高速金屬射流。這股高溫高速射流攻擊裝甲便能起到破甲的作用(有關穿甲彈、破甲彈、碎甲彈區別的內容可以參見我另一篇文章)。下圖為破甲戰鬥部在紅外線攝像下的工作模式示意圖,注意中間橙紅色的高溫金屬射流。



為什麼要選擇紫銅作為藥形罩材料

讀完上文大家就能明白,長而穩定的金屬射流對於破甲效果至關重要,要控制金屬射流的形狀、大小、質量,藥形罩的材料又是關鍵。

在破甲彈剛剛誕生的時期,因為對於金屬射流的研究有限,加之加工工藝的限制,最初的藥形罩也是通過鋼材衝壓而成。比如前蘇聯生產的RPG-43反坦克手雷,藥形罩就是鋼製,加上藥形罩形狀設計不合理,靜破甲深度只有75毫米。



根據侵徹流體動力學理論,藥形罩要形成更長更穩定的金屬射流要求藥形罩材料具備高密度、高聲速、良好的導熱性、高動態斷裂延伸率等性能

說到這裡,大家可能會想到一種符合描述的金屬——黃金。沒錯,經過各國的實驗,黃金的各項性能極其符合製作藥形罩的要求,就只有一個唯一的缺點——太貴。所以在成本與性能

之間反覆實驗考察,紫銅(單質銅)是當時最符合設計要求藥形罩材料。下圖為RPG-43的改進型RKG-3反坦克手雷。在從鋼製藥形罩換成銅質藥形罩後,破甲深度從135毫米提高到170毫米。

藥形罩材料發展方向

目前藥形罩材料有兩個發展方向,即純金屬和多相複合材料,純金屬主要集中在鉬、鎢、鉭等金屬材料,多相複合材料主要是貧鈾合金、鎢銅合金、錸銅合金、鉭銅合金。據報道,我國紅箭-12反坦克導彈破甲戰鬥部就是鉭製藥形罩。





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