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浅析二战时期穿甲弹及其终点效应的相关机理 by:apm5imm

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浅析二战时期穿甲弹及其终点效应的相关机理
战至最后一弹
摘 要
简介二战时期穿甲弹的相关特征及分类,对二战时期各种形式的穿甲弹对普通钢装甲的终点效应进行相关总结,并对在二战中出现的大倾斜装甲的抗弹机理进行相关分析。
关键词 穿甲弹 终点效应 大倾斜装甲 转正效应 倾角效应
从最早的火器:南宋突火枪开始,弹丸的形制和规格都随着科技的发展在不断的变化,到19世纪后期一些经典的穿甲理论被纷纷提出,在先进的理论指导下,穿甲弹和防护装甲的发展开始突飞猛进,至二战前后,普通穿甲弹已经相当成熟,并发展出了多个变种。与此同时,随着先进装甲在战场上出现,这些弹药受到战争严峻的考验,各国设计人员面对挑战都绞尽脑汁寻求对策,并由此产生了一系列精妙设计和新理论的诞生,为现代穿甲弹的诞生铺平了道路。
弹药篇
1.穿甲弹的分类
1.1 实心穿甲弹 ( Solid Ap )
实心穿甲弹是最基础的弹种,有多种形式
1. 尖头穿甲弹
2. 钝头穿甲弹
3. 被帽穿甲弹

尖头穿甲弹侵彻钢甲时头部阻力较小,对硬度较低的韧性钢甲有较高的穿甲能力,但对硬度较高的厚钢甲侵彻时,头部易破碎,对倾斜的钢甲易跳飞。图为日军一式战车炮用47mm尖头穿甲弹,其弹头弧形部母线半径约为(1.5~2)d,穿甲威力低,气动外形不好

在二战中,各国为提高穿甲能力,降低速降,普遍采用风帽来调整弹头的流线性,提高远距离穿透力,如日本海军的91式460mm风帽被帽穿甲弹。
当然也存在没有采用风帽的弹种,如日本一式速射炮用47mm穿甲弹,该弹即为尖头无风帽穿甲弹。这显然对远距离性能不利。
二战时期美国和苏联采用了大口径风帽穿甲弹,并各自配备于90mm和122mm坦克炮用于实战,一举击穿在之前的交战中很难穿透的德国黑豹式坦克的80mm 55度首上装甲,为战争胜利做出了贡献。




由于二战初期普遍存在采用表面硬化装甲来提升防护效能的装甲目标,为了应对表面硬化装甲依靠表面硬化层高达BHN550-650的硬度,使穿甲弹头碰撞时碎裂,穿甲效能大幅下降的现象。各国开发出了被帽穿甲弹(典型例子为日本91式穿甲弹)。被帽穿甲弹在弹体前方设置了一个面硬背软的金属帽,在弹丸于装甲接触瞬间保护弹体,防止弹体碎裂。但被帽穿甲弹并非没有代价,其在侵彻大倾斜装甲时比同口径钝头穿甲弹效果差,具体原因将在装甲篇阐述。


普通穿甲弹在遭遇倾斜装甲时,由于转动力矩的存在非常容易跳弹,为减少跳弹现象,提高对倾斜装甲的效果。 各国开发了钝头穿甲弹。钝头穿甲弹碰击钢甲时,由于接触面积大,弹头部不易破碎;钝头部改善了着靶时的受力状态,在一定程度上可防止跳弹;钝头部便于破坏钢甲表面,易产生剪切冲塞破坏,其穿甲能力高于尖头穿甲弹,可用来对付硬度较高的均质钢甲和非均质钢甲。钝头部直径约为0.6~0.7d,其形状有球面、平面和蘑菇形等多种,如下图所示

1.2硬芯穿甲弹(Hard Cora,Armour Piercing AP)
为了提高穿甲弹穿透力,各国(除日本)均开发了硬芯穿甲弹,硬芯穿甲弹着靶时,在正常状态下穿甲弹的风帽和弹体外壳,在开坑(Cratering)阶段均已被破坏,只剩下合金钢或硬质合金弹芯因具有高硬度和高单位截面面积动能可以继续击穿装甲。
硬芯穿甲弹由于弹重轻,炮口初速大,又被称为超速穿甲弹或HVAP和APCR,其本质都是相同的,硬芯穿甲弹的基本原理是提高单位截面面积动能,亦即初期的次口径穿甲弹原理,由于结构所限,硬芯穿甲弹穿甲效能的提升不如次口径穿甲弹大,但仍有可观的提高幅度,因此被中小口径穿甲弹采用。

硬芯穿甲弹虽然有可观的穿甲能力,但由于其弹重轻,远距离能量衰减速度快,造成其对远距离目标效果不佳,又因为其仍然具备普通穿甲弹的部分特征,其对付大倾斜装甲时,穿甲能力下降率也较高(但穿甲效果仍强于被帽穿甲弹)。

更重要的是,其核心技术,碳化钨弹芯对稀有金属的消耗很大,部分缺乏稀有金属的国家(如德国)无法大量装备此弹,使前线战局变得更加艰难,同时引发该国被迫在火炮技术上挖潜,使火炮越来越大,越来越重,相应的装车变得愈发困难,最终被迫提高车重等一系列水多加面,面多加水的恶性循环,走了一条应引以为戒的弯路。
1.3次口径脱壳穿甲弹(APDS-----Armour Piercing Discarding Sabot)
图为旋转稳定次口径脱壳穿甲弹示意图

如图所示,次口径钨合金弹芯直径较弹径小得多,由与火炮口径相同的轻金属弹托夹持。当火炮发射时,弹托夹持弹芯以高速(V>1500m/s)飞离火炮。弹丸出膛后,因弹丸旋转的离心力,弹托甩出,于弹芯分开,只剩弹芯打在装甲板上,由于弹芯直径小,由高硬度重金属制成,因而弹芯单位截面密度显著增加,从而单位截面面积动能得到很大提升,穿甲力亦相应增强。
1942年H,E,Wessman和W,A,Rose提出的穿甲能力与截面密度和着靶速度的经典公式如下。

从式中得出,穿甲深度T与弹丸截面面积成反比,与弹丸质量成正比,于着靶速度的平方根的自然对数成正比。
次口径穿甲弹于二战中期由英国前皇家兵工厂(ROF)率先推出,至战争结束,依然为其独门绝技,只此一家别无分店。其典型例子为耳熟能详的萤火虫坦克用17磅坦克炮发射的MK.1T次口径脱壳穿甲弹。
次口径脱壳穿甲弹的优点在于能大大提升穿甲力,在914m处对30度倾斜装甲的射击实验表明,17磅坦克炮发射的MK.1T穿甲弹能击穿194mm装甲,达到了虎王坦克使用的KWK43型88L71火炮发射Pzger39穿甲弹(APCBC,风帽被帽穿甲弹)的水平!这在当时是相当了不起的成就。
但以MK.1T为代表的早期APDS并不完善,17磅炮发射Mk.1T在914m处的命中率低下,这可能是弹托工艺不过关所致,而APDS还有个要命的问题是遇见大倾斜装甲,其效能将大大下降,资料显示即使是现代APDS,穿透60度倾斜装甲,装甲将等效于水平穿透弹道长度的2.1倍!不过好在APDS的基础穿深够高,在经过改进之后依然是60年代铁幕双方的主力弹种之一。
对一张有趣图表的观察,兼做装甲篇可能的引述。

让我们暂时放弃对这图表内数据遵循的试验标准的探讨,首先注意如下事实
例1.美75L40炮,对100码RHA装甲射击。(图中无注明FH 都为RHA即均质钢装甲)
AP 109
对FHA(表面硬化装甲)
AP 91
由此,我们发现,同样的条件下,RHA仅有FHA抗弹性能的83.7%是否可以说,表面硬化装甲比均质钢装甲有了巨大进步,正如海军同行们那样?
例2.还是美75L40炮 100码 但换了弹种。
APCBC
102
显然,此时的FHA仅相当于RHA的107%,与之前的数据有很大差距,FHA好像没有那么神?
如果注意到美90mm炮发射的T33和M77穿甲弹对不同装甲的穿透力,则这个问题将更有意思,同样火炮发射的同类穿甲弹,面对FHA,其效能下降也有不小区别。
那么,决定FHA效能的因素究竟是那些呢?推而广之,各种不同力学性能的装甲又有什么具体表现呢?坦克设计师使用它们是否合理呢?
这就是装甲材质对防护的影响之一。
几个重要名词
Rolled Homogenous Armour RHA 均质钢
face-hardened armor FHA 表面硬化钢
几个可能用到的公式,仅供参考。








这些公式具有很大意义,可以用来进行一系列推测,但必须说明的是,目前网络上对公式的滥用早已超越公式著者的本意,故需自行辨别真伪。

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