军事知识科普:浅谈化学能弹药(CE)

今天简单谈谈化学能弹药(CE),仅为个人拙见,欢迎您在评论区分享您的见解,之前的小文里有很多朋友指出的谬误,我已逐一改正,现在审核中。

先说点废话:化学能是一种很隐蔽的能量,它不能直接用来做功,只有在发生化学变化的时候才可以释放出来,变成热能或者其他形式的能量。像石油和煤的燃烧,炸药爆炸以及人吃的食物在体内发生化学变化时候所放出的能量,都属于化学能。化学能是指储存在物质当中的能量,根据能量守恒定律,这种能量的变化与反应中热能的变化是大小相等、符号相反,参加反应的化合物中各原子重新排列而产生新的化合物时,将导致化学能的变化,产生放热或吸热效应。

飞行中的弹体均具有动能,化学能弹药的毁伤性能却不依赖于动能,而是自身结构及装药,在击中目标或者距目标很近时作用。

化学能弹药的毁伤原理:

1.冲击波(shock wave)

一种不连续锋在介质中的传播,这个锋导致介质的压强、温度、密度等物理性质的跳跃式改变。爆炸都伴有冲击波,冲击波总是在物质膨胀速度变得大于局域声速时发生。

带有冲击波是大多数弹头或弹体的毁伤通性。装药引爆后产生的冲击波使弹体及内部相关结构高速四散,进而再通过碎片或四散的内置物产生毁伤。

2.门罗效应或聚能效应(Munroe effect/gathering energy effect)


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物理学家Charles Edward Munroe(1849-1938)

源于1888年美国物理学家门罗(Charles Edward Munroe)在炸药试验中发现的定律。即炸药爆炸后,爆炸产物在高温高压下基本是沿炸药表面的法线方向,向外飞散的。因此,带凹槽的装药在引爆后,在凹槽轴线上会出现一股汇聚的、速度和压强都很高的爆炸产物流,在一定的范围内使炸药爆炸释放出来的化学能集中起来。

空心装药破甲弹在击中目标爆/炸时,弹头前部金属药型罩被高温熔化,而形成的射向目标表面的液态金属流。这种“金属射流”的原理即为“门罗效应”。

此类弹药的聚能原理源于其锥形装药,又叫聚能装药,是反装甲弹药中的一种常见技术。在距离装甲一定距离时,装药引爆,漏斗状金属壳体即“药罩”受挤压变形,并在高温高压作用下聚焦形成一条高速金属射流,使得压力能集中于一点以穿透装甲。


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破甲弹HEAT结构示意图

1910年,德国人诺伊曼发现若在炸药凹陷处加上金属药罩(通常是铜),当爆炸时炸药会集中一点地推动药罩,这时虽然它仍是固体但在炸药推动之下却如同液体般形成高速的金属射流,足以洞穿钢铁,成为高爆反装甲弹的原理,它理论上可以洞穿药罩直径5倍的装甲。

3.放热反应


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铝热反应化学原理

铝热反应主要用于燃烧弹,理论上能熔融装甲。


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白磷放热反应

白磷弹利用了白磷在空气中自燃的性质。利用其毒性的化学武器也曾被研制。 起初白磷弹曾被当作燃烧弹使用,但后来由于对交战国士兵造成的巨大身体及心理创伤而逐渐被各国弃用,转而作为目标指示弹及烟雾弹使用


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美国军人在韩国乌山空军基地(Osan Air Base)检查白磷信号火箭

相关弹药简介

1.高爆破甲弹(High-explosive anti-tank warheads,HEAT)

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是现今反坦克用化学能弹的主流,大量作为坦克炮弹、反坦克导弹以至肩扛反坦克火箭弹。高爆反坦克弹使用锥形装药的聚能原理,战斗部内的金属壳体在高温高压作用下聚焦形成一条高速金属射流,使得压力能集中于一点以穿透装甲,达到杀伤敌方车内人员、破坏武器装备的效果。

由于锥形装药及其前端的金属药罩,爆炸时会形成高速的金属喷流,压力集中一点,足以穿透钢铁,这就成为破甲弹的原理,理论上能贯穿药罩直径5倍的装甲。然而,必须注意的是,破甲弹并不是利用高温来达到这个效果,炮弹中的锥形装药金属流并没有“烧穿”装甲,它的温度只达到500℃至600℃。实际上锥形装药是通过极高的压力贯穿装甲。


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在第二次世界大战时破甲弹已作为坦克炮弹和手提反坦克火箭弹(铁拳、巴祖卡)使用。 部分现代高爆反坦克弹通过改进战斗部结构,增加了爆炸杀伤范围,使其对步兵、建筑、碉堡、直升机等软目标同样具有破坏力,称为高爆两用弹。如美国的120mmM830A1高爆破甲弹。


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M830A1结构示意图

M830A1高爆破甲弹是具有强大毁伤能力的化学能多用途炮弹。 除了M764引信、双保险和推进剂药室外,其主要是从德国的DM12A1改进的。 炮弹由具有尾翼稳定装置的钢制主体组成,里面装有A3 II型炸药。 尾翼被倾斜,并使弹丸旋转。 弹头内装有铜制的药罩和波形整形器。 弹头有一个钢制触发部件,带有一个尖端开关和一个中部开关,可以使整个弹头区域发挥作用。 电引爆炸药引信位于弹体的后部。 推进剂系统采用单孔棒状推进剂。 M830A1药室的重量约为53.4磅(约为24.22千克),且内置弹丸。其他数据不详。

当高爆反坦克弹由线膛炮发射时,炮弹高速旋转产生的离心力会冲散金属射流,导致穿甲力下降。为此,苏联设计师去除了火炮膛线,将炮弹改为尾翼稳定,研制出世界上第一款滑膛反坦克炮T-12“轻剑”和第一款实际装备的滑膛坦克炮U-5TS“锤子”。


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T12“轻剑”反坦克炮

T12配备了3BK16M/3UBK8型破甲弹,全弹重: 23.1千克;弹头重: 9.5千克;

初速: 975 m/s;穿深: 350 mm。

备注:穿深数据是对90度均质钢装甲的值。

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U-5TS“锤子”

U-5TS“锤子”配备了3UBK7型破甲弹,采用3BK15型弹头,全弹重:26.3千克;弹头重:12.2千克;

初速:1060 m/s;穿深:440mm。

2.反坦克导弹

3UBK10-1炮射反坦克导弹,其原型为9M117“堡垒”


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全弹重:25千克;弹头重:4.5千克;

长度:1050mm;直径:10mm;

有效射程:100-3000m;毁伤效果:4000m以外550mm(有反应装甲)、600mm(无反应装甲);

发动机:固体火箭发动机;速度:最高370m/m,平均333.3m/s

制导系统:瞄准线半自动指令激光制导;精度:主要模式、坦克尺寸目标、4000m:80%

该100mm反坦克导弹类似于普通的100mm反坦克弹药,并且以相同的方式装填及发射。该弹药先利用较少量的爆炸性装药,以大约400-500m/s的速度将要抛射的导弹从炮管射出。离开炮管以后,一个小盖子会从导弹后部的小型窗口以上掉下来。固体火箭发动机会在导弹发射以后的1.5s点火,并且燃烧6秒钟。

该炮射导弹采用了激光制导(英语:Laser guidance)系统。发射导弹的坦克/车辆/火炮可借由1K13激光引导装置投射出分成扇区的锥状激光,而每个扇区都著有不同的频率或调变。而上述的导弹后部的小型窗口,装有一台可以检测到激光调变的传感器。利用这种调变,导弹会操纵自身,并且保持它在锥状激光当中的位置。激光驾束式制导系统的尺寸较无线电指令制导(英语:Command guidance)系统为紧凑,而且比半主动激光制导更为便宜和简单。该类导弹也为难以受到无线电或光学手段所干扰。但另一方面,激光制导系统必须始终借由激光瞄准器追踪目标,而且系统无法在移动中可靠地使用。

该导弹飞至4,000m的所需时间约为12s,平均为333.33m/s。假如飞行26-41s以后都无法击中任何目标,导弹会启动自毁引信。

9M117以及9M117M炮射导弹可以三种模式发射:

主要模式——激光束与瞄准线(英语:Line-of-sight (missile))重合,同时将坦克炮稍微抬高以减少导弹发射时所产生的尘埃。导弹系统采用了瞄准线半自动指令引导原理,导弹会飞上至瞄准线的上方,并且在经过数百米以后进入激光束的制导。

弹道模式——将激光束与坦克炮都稍微抬高。然后导弹就在炮手的瞄准线上方3米发射、地面上方约5米处飞行。当与导弹的距离少于500m时,会降低激光束并且与瞄准线重合。在此模式下,目标不会在整个攻击过程中很突出地显示出来,因此能够从打击当中逃脱的可能性较小;而且可减少导弹飞行时所卷起的尘埃和导弹制导系统失去对导弹的控制的几率。

紧急模式——该模式仅适用于目标在1,000m的范围以内目标突然出现、而且导弹已经装填上膛的情况。坦克炮的激光束和炮管于瞄准轴上平行。在这种模式下,命中概率较低,而且击中地面的风险更大,最小射击距离为100m。

3.碎甲弹(High Explosive Squash Head, HESH)

是一种主要由英国(大英祖传线膛炮专用,前一篇讲过)所使用的反坦克弹种,美国称为塑性榴弹(High Explosive Plastic, HEP),有的文章翻译为爆震弹,它是由塑性炸药与延迟引信所构成的一种坦克炮弹。当碎甲弹碰撞目标后,塑性炸药会因为冲击而变形为圆盘状附着在表面上,直到炮弹底部的延迟引信点燃引爆塑性炸药。接着爆炸产生的冲击波会在被撞击的物体中传递,然后在内侧产生向内碎裂的破片,达成杀伤内部人员、破坏装备、点燃油料或殉爆弹药的效果。

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HESH

之所以它只能在线膛炮上使用,是因为碎甲弹为了使塑性炸药有效地附着在装甲表面所壳较薄的弹体(因此台湾方面称其为“黏著榴彈”),这使得它只能以较低的初速发射(105mmM393 HEP初速732米/秒),因此需要使弹体旋转以维持准确度。尽管如此,薄外壳造成它的轻重量与低初速,阻力较大的钝头设计使得它的速度会快速减慢而且弹道难以稳定,这都会使瞄准难度增加。但从反面来说,碎甲弹也只能在较低的速度范围内撞击目标,因为过高的速度撞击会提前引爆炸药,而过低的速度不能使炸药适当地附着在表面,这会降低碎甲弹毁伤装甲的效果。

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现今除了英国配备L30A1型120mm线膛炮的挑战者2主战坦克与仍使用L7型系列线膛炮的坦克或装甲车辆——如美国的斯崔克机动火炮系统(Stryker Mobile Gun System)和阿根廷的TAM之外,仅有少数战斗工兵装甲车辆配备碎甲弹,主要用来摧毁防御工事。例如美国陆军的M728战斗工兵车(Combat Engineer Vehicle)与英国陆军的百夫长AVRE(Centurion Armoured Vehicle Royal Engineer),两者皆配备一门能发射碎甲弹的165mm爆破炮,即爆炸物抛射器(然而就是个炮筒子)。


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碎甲弹对于装甲的破坏力与弹径、厚度比(弹体直径与目标装甲厚度的比例)有关,概略而言它能毁伤约弹体直径1.5倍厚度均质钢装甲内侧的人员(不需要击穿),然而相比破甲榴弹普遍能穿透弹体直径4-6倍厚度的装甲后杀伤内部人员,碎甲弹的穿甲效能显然较低。另一方面碎甲弹爆炸产生的冲击波难以在复合装甲中有效地传递,且装甲内侧若使用凯夫拉(Kevlar)这类材料制成的防破片内衬会更加降低碎甲弹的毁伤性能。再加上因为弹壳较薄不适合使用高初速火炮发射,仅能以初速较低的线膛炮发射,而目前坦克火炮的主流为采用高初速滑膛炮搭配尾翼稳定脱壳穿甲弹以应付日益难以击穿的敌方复合装甲,这些因素使得碎甲弹无法像破甲榴弹一样继续成为广泛使用的反坦克弹种。然而碎甲弹也可以充当榴弹使用,尽管较薄的弹体外壳使它的破片散布范围稍小于榴弹,但是产生的细小高速碎片却能对附近的物体产生额外的破坏效果。碎甲弹除了可以用来摧毁装甲车辆和碉堡等混凝土防御工事,也能用来杀伤人员和无装甲保护的车辆及火炮等装备,因此它在使用上远比榴弹更具灵活性。


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