美軍選擇聚合物彈殼槍彈之探析

韓江濤

長(zhǎng)期以來(lái)，在輕武器彈藥領(lǐng)域，世界發(fā)達(dá)國(guó)家一直在不斷探索，諸如無(wú)殼彈、埋頭彈等，但終因存在難以克服的技術(shù)難題而未進(jìn)入裝備序列。如今，美國(guó)MAC公司研制出新型12.7mm聚合物彈殼槍彈，并于2020年開(kāi)始向美國(guó)海軍陸戰(zhàn)隊(duì)交付。

新型12.7mm聚合物彈殼槍彈由傳統(tǒng)黃銅彈頭和聚合物彈殼組成，質(zhì)量有效減輕，彈道特性則與傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)12.7mm槍彈相同，符合美軍要求，其適用于各種12.7mm機(jī)槍和步槍?zhuān)ㄈ驈V泛使用的M2重機(jī)槍。

美國(guó)開(kāi)發(fā)聚合物彈殼槍彈原因何在？聚合物彈殼槍彈發(fā)展前景如何？請(qǐng)看——

軍事專(zhuān)家對(duì)輕武器在戰(zhàn)爭(zhēng)中地位作用形成的共識(shí)是，當(dāng)今世界雖然高技術(shù)兵器層出不窮，但戰(zhàn)爭(zhēng)中手持式或車(chē)載型步兵輕武器裝備仍然是戰(zhàn)場(chǎng)上的基本力量，是構(gòu)成戰(zhàn)斗力的重要因素，無(wú)論是在應(yīng)對(duì)低烈度沖突，還是實(shí)施大規(guī)模攻防作戰(zhàn)中，步兵輕武器裝備依然發(fā)揮著重武器不可替代的作用。

就目前而言，世界各國(guó)軍隊(duì)裝備使用的步兵輕武器，面臨的最大困境是如何減輕武器及彈藥系統(tǒng)的整體質(zhì)量，以滿(mǎn)足在戰(zhàn)場(chǎng)攻防節(jié)奏日益加快情況下，士兵的攜行和機(jī)動(dòng)能力。

美國(guó)開(kāi)發(fā)聚合物彈殼槍彈原因分析

自1970年代以來(lái)，隨著橡膠、尼龍、凱夫拉等新型材料的出現(xiàn)，各國(guó)開(kāi)始探索輕武器/彈藥系統(tǒng)的“以塑代木”、“以塑代鋼”之路。在早些時(shí)候，美國(guó)人首先嘗試性地將M16步槍的木質(zhì)槍托換成塑料纖維材料。通過(guò)雨淋浸泡試驗(yàn)表明：采用木質(zhì)槍托的M16步槍在半年后即被蛀蟲(chóng)侵入，1年后槍托腐爛;而采用塑料纖維槍托的M16步槍在同樣環(huán)境下，5年后仍然可以正常使用。于是，以聚合物為材料的現(xiàn)代工程塑料技術(shù)逐步在槍械制造領(lǐng)域得到推廣。如今，不僅在槍械的槍托上使用聚合物材料，握把、護(hù)手、彈匣等諸多部件也以聚合物材料替代傳統(tǒng)的鋼及木質(zhì)結(jié)構(gòu)。比較有代表性的武器，如1980年代奧地利推出的AUG 5.56mm步槍?zhuān)龢尮堋寵C(jī)等少量機(jī)件外，整槍有85%的零部件使用了聚合物材料，武器的整體質(zhì)量得到大幅度減輕。

人類(lèi)同樣沒(méi)有放棄將聚合物材料應(yīng)用在彈藥領(lǐng)域。早在1969年，德國(guó)率先推出“無(wú)殼彈/槍系統(tǒng)”的研制計(jì)劃，經(jīng)過(guò)20年鍥而不舍的努力，終于在1990年代初推出煥然一新的G115.56mm無(wú)殼彈步槍。其實(shí)不僅德國(guó)，其他世界軍事強(qiáng)國(guó)，如美國(guó)、英國(guó)、意大利、比利時(shí)等也先后提出塑料埋頭彈、聚合物脫殼穿燃彈、聚合物空心裝藥彈等以聚合物材料為融入的輕量化彈藥規(guī)劃。

那么，在輕武器彈藥領(lǐng)域，世界發(fā)達(dá)國(guó)家為何耗費(fèi)巨大財(cái)力去研制無(wú)殼彈、埋頭彈及聚合物彈殼槍彈等彈種呢？

簡(jiǎn)單地說(shuō)，相比傳統(tǒng)輕武器彈藥，以聚合物為材料制成的彈藥質(zhì)量輕，耐腐蝕能力強(qiáng)，工藝簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，具有較好的軍事效益和經(jīng)濟(jì)效益，代表著彈藥輕量化的發(fā)展方向。

質(zhì)量輕，提高了士兵彈藥攜行量和機(jī)動(dòng)能力 以美國(guó)MAC公司最新推出的12.7mm聚合物彈殼槍彈為例，其質(zhì)量要比勃朗寧12.7mm金屬?gòu)棜審棞p輕30%。如果按分隊(duì)一次作戰(zhàn)攜帶500發(fā)彈計(jì)算，攜帶勃朗寧12.7mm金屬?gòu)棜審椀目傎|(zhì)量為58kg（該彈質(zhì)量為116g），而攜帶同口徑、同類(lèi)型和同性能的新型12.7mm聚合物彈殼槍彈的總質(zhì)量?jī)H為40.6kg。顯然，在作戰(zhàn)中，如果彈藥手配備同等彈藥負(fù)荷，使用新型12.7mm聚合物彈殼槍彈，就可在原有500發(fā)基礎(chǔ)上再多攜帶214發(fā)槍彈，大幅度提高了武器火力持續(xù)能力。從另外一個(gè)角度講，即便使用新型12.7mm聚合物彈殼槍彈的士兵不需要多攜帶214發(fā)彈，也會(huì)有效降低彈藥手的單兵負(fù)荷量，進(jìn)而有效增強(qiáng)戰(zhàn)場(chǎng)機(jī)動(dòng)能力。

造價(jià)低廉，可變性強(qiáng) 眾所周知，步兵輕武器是世界各國(guó)軍隊(duì)裝備數(shù)量最多、使用范圍最廣的裝備，彈藥使用及消耗量極大。傳統(tǒng)輕武器彈藥彈殼材料以鋼、銅為主，造成金屬材料的巨大消耗，尤其是銅質(zhì)彈殼彈藥，造價(jià)更高。相比之下，以聚合物為代表的現(xiàn)代工程塑料材料，雖然在硬度、密度、抗沖擊強(qiáng)度等方面有所欠缺，但聚合物材料在抗腐蝕性、柔韌性等方面又具有優(yōu)勢(shì)，尤其是聚合物材料品級(jí)多，可以通過(guò)材料的改性、增強(qiáng)、發(fā)泡以及填充不同材料比例，制備出諸多品級(jí)的聚合物，比如僅尼龍材料，就可制備成尼龍4、5、6、7、8、9、11、12、13、46、66、610、612、613、1010、1313等諸多品種?？梢?jiàn)，聚合物工程塑料材料具有相當(dāng)大的可變性。

取材方便，工藝簡(jiǎn)單 以鋼、銅、硬鋁合金等金屬制作的彈殼雖然具有硬度大、抗沖擊能力強(qiáng)、密封效果好等優(yōu)點(diǎn)，但這些優(yōu)點(diǎn)是以增加材料的質(zhì)量和造價(jià)高昂為代價(jià)換取的，況且相比聚合物材料，其制作過(guò)程和成型工藝也相對(duì)復(fù)雜得多。據(jù)相關(guān)資料，制作一枚12.7mm口徑彈殼，以黃銅為材料所花費(fèi)的費(fèi)用要比使用聚合物材料高出30～50%，而以聚合物材料來(lái)制備物件，取材相當(dāng)方便，不需要像制備金屬材料那樣進(jìn)行鍛造、碾壓、淬火等復(fù)雜的深加工，僅需要根據(jù)配比進(jìn)行不同材質(zhì)的填充，并且能夠一次加工成型，制備工藝簡(jiǎn)單。

材料成本低，有良好的經(jīng)濟(jì)效益與鋼、銅等金屬材料相比，聚合物的原材料價(jià)格在國(guó)際上按體積單位計(jì)算要便宜許多，1升不銹鋼板材料的價(jià)格為15美元，1升銅板材料的價(jià)格為26美元，而1升尼龍聚合物材料的價(jià)格僅為6美元。其他聚合物材料，如酚醛樹(shù)脂、聚酰亞胺、聚碳酸酯、聚甲醛等均不超過(guò)10美元。這就意味著在制造同體積的物件時(shí)，采用聚合物材料價(jià)格會(huì)便宜得多。如果再將加工制造成本考慮進(jìn)去，就更能顯示出聚合物材料制品的經(jīng)濟(jì)優(yōu)越性。在自動(dòng)化輕武器大量裝備各國(guó)軍隊(duì)情況下，輕武器作戰(zhàn)時(shí)的彈藥消耗量會(huì)成倍增加，努力降低彈藥成本價(jià)格顯得尤為重要。

聚合物彈殼材料特性要求

彈殼的主要作用是容納火藥、固定底火和彈頭，所以在彈藥發(fā)射過(guò)程中，彈殼需承受非常高的藥溫和膛溫，并要求其必須具有較強(qiáng)的耐磨性、耐久性等性能。這種對(duì)彈殼性能的綜合要求，無(wú)論在性能指標(biāo)上，還是在可靠性上，不是普通聚合物材料就能達(dá)到的。此外，彈殼與槍械所用聚合物材料，在性能指標(biāo)上也有所不同。比如槍械上的工程塑料槍托、握把等，是一種“以塑代木”構(gòu)件，只要選取和配用耐久性好、防腐能力強(qiáng)的聚合物就可以了;槍械上的聚合物彈匣、機(jī)匣、護(hù)手等受力構(gòu)件，只要選配耐沖擊性強(qiáng)、韌性好和耐磨指數(shù)高的聚合物材料即可。而聚合物彈殼材料的選材，不僅要具有良好的強(qiáng)度、韌性、耐磨性，同時(shí)還要滿(mǎn)足耐高溫、抗高壓、抗疲勞等多種性能要求?？梢?jiàn)，以聚合物材料制作彈殼的技術(shù)，不是哪個(gè)國(guó)家輕易就能具備的，需要以國(guó)家的科技水平、工藝水平、材料加工水平等綜合能力為基礎(chǔ)以及應(yīng)用上的積淀才能做到。

下面以聚合物彈殼耐高溫性和耐磨性?xún)身?xiàng)指標(biāo)說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題。

彈殼耐高溫性指標(biāo)要求 我們知道，在槍彈發(fā)射過(guò)程中，彈殼要能承受300℃以上高溫。而普通的聚合物材料，如聚苯醚、聚酰亞胺、液晶等，其耐高溫強(qiáng)度只能在150～300℃之間，即使耐高溫強(qiáng)度極大的改進(jìn)型聚苯酯，也超不過(guò)400℃。然而，槍械連續(xù)發(fā)射過(guò)程中，彈殼承受的槍管膛溫會(huì)高達(dá)500℃。顯然，制備能承受500℃以上溫度的聚合物材料技術(shù)難度非常之大。有資料披露說(shuō)，美國(guó)聚合物彈藥彈殼的制作是通過(guò)在塑料中嵌入陶瓷的方法來(lái)解決彈殼承受高溫這一難題的。

耐磨性指標(biāo)要求 槍械射擊時(shí)，槍機(jī)先將槍彈推至坡膛口，轉(zhuǎn)而送彈入膛，然后，槍機(jī)實(shí)施閉鎖。擊發(fā)后，槍機(jī)開(kāi)鎖，再將空彈殼從彈膛中抽出，進(jìn)而完成拋殼。在完成送彈、入膛、拋殼的循環(huán)過(guò)程中，要求彈殼必須有較好的耐磨性。我們知道，材料的耐磨性與其自身的潤(rùn)滑性有關(guān)。通常潤(rùn)滑性好的材料，耐磨性也好。某些聚合物材料，本身就具有很好的潤(rùn)滑性，比如聚四氟乙烯塑料，其耐磨性極為顯著，人們常將聚四氟乙烯塑料作潤(rùn)滑劑或增磨劑使用。但是，聚四氟乙烯聚合物材料若與金屬（銅、鐵）相比，其熱度變形的溫度，要比金屬材料低得多。許多聚合物材料在高溫、高熱能的作用下就會(huì)軟化，甚至?xí)霈F(xiàn)熔融情況。槍彈發(fā)射過(guò)程中，彈殼承受熱量很高。為了確保聚合物彈殼在高溫情況下不變形，工業(yè)強(qiáng)國(guó)大都運(yùn)用增強(qiáng)、摻混、改性等方法提高聚合物熔點(diǎn);還有一些國(guó)家則采用以熱塑性聚合物材料取代熱固性聚合物材料的方法

通過(guò)對(duì)耐高溫性和耐磨性?xún)身?xiàng)指標(biāo)簡(jiǎn)單分析不難看出，聚合物材料必須充分滿(mǎn)足槍彈發(fā)射過(guò)程中對(duì)彈殼的高強(qiáng)度、高韌性、耐高溫、耐磨性、耐久性等各項(xiàng)指標(biāo)要求，才能替代傳統(tǒng)鋼、銅質(zhì)彈殼。聚合物彈殼對(duì)材料、工藝、制造等技術(shù)要求非常高，不是任何國(guó)家都能做到。

聚合物彈殼彈藥發(fā)展前景預(yù)測(cè)

世界各國(guó)一直在探索追求性能更加先進(jìn)的輕武器彈藥，從傳統(tǒng)鋼、銅質(zhì)彈藥，到無(wú)殼彈藥、埋頭彈藥，再到如今的聚合物彈殼彈藥，可謂五花八門(mén)。

這期間，聲勢(shì)最為浩大的當(dāng)屬德國(guó)人在1970～1990年代搞的無(wú)殼彈/槍系統(tǒng)。當(dāng)時(shí)德國(guó)著名的諾貝爾公司花費(fèi)巨資進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)20年探索，并幾經(jīng)改進(jìn)，最終定型生產(chǎn)了發(fā)射無(wú)殼彈的G11 5.56mm步槍?zhuān)K因系統(tǒng)造價(jià)太高，且存在諸多問(wèn)題而被迫放棄。正如美國(guó)彈藥專(zhuān)家拉比特所評(píng)價(jià)的那樣，雖然G11無(wú)殼彈步槍在彈藥領(lǐng)域代表了一定程度的優(yōu)越性，但同時(shí)也暴露出諸多難以解決的難題，比如，整個(gè)武器系統(tǒng)造價(jià)太高，槍彈易碎以及其他使用和維護(hù)保養(yǎng)方面的缺陷，一旦投入戰(zhàn)場(chǎng)，實(shí)用價(jià)值甚微。其后，不死心的德國(guó)諾貝爾公司又搞出了將彈頭完全嵌入發(fā)射藥塊里的埋頭彈，但仍然沒(méi)有解決好彈藥與槍械有效匹配的問(wèn)題，究其主要原因，是埋頭彈中的發(fā)射藥塊即為發(fā)射藥，同時(shí)又充當(dāng)彈殼角色。發(fā)射藥塊燃燒的能量全部用于推送彈頭沿著槍管膛線(xiàn)向前運(yùn)動(dòng)，它不像有殼彈那樣在發(fā)射后彈殼可以帶走相當(dāng)一部分熱量，進(jìn)而降低膛壓和膛溫。埋頭彈的發(fā)射過(guò)程與無(wú)殼彈基本一致。在發(fā)射過(guò)程中，彈藥燃燒使槍膛溫度越來(lái)越高，導(dǎo)致膛壓不穩(wěn)定，進(jìn)而引發(fā)彈頭軌跡的彈道一致性差，不僅影響武器射擊精度，更有甚者還會(huì)出現(xiàn)彈藥自燃情況。

近些年來(lái)，隨著人類(lèi)科技水平不斷提高，埋頭彈發(fā)展又迎來(lái)一個(gè)暖春，許多在上世紀(jì)受困擾的問(wèn)題今天得到了很好地解決。近期，美國(guó)、德國(guó)、比利時(shí)等西方強(qiáng)國(guó)的一些軍工商，已經(jīng)將埋頭彈成功運(yùn)用于槍械領(lǐng)域。

事實(shí)上，美國(guó)新型12.7mm聚合物彈殼槍彈是對(duì)傳統(tǒng)金屬（鋼、銅）彈殼槍彈改進(jìn)過(guò)程中的一次另辟蹊徑，改良難度并沒(méi)有當(dāng)年開(kāi)發(fā)無(wú)殼彈、埋頭彈那樣大，其實(shí)質(zhì)并沒(méi)有從根本上改變傳統(tǒng)槍彈基本結(jié)構(gòu)和動(dòng)能原理?？上驳氖牵绹?guó)12.7mm聚合物彈殼槍彈的研制成功，充分體現(xiàn)了現(xiàn)代高技術(shù)在槍械/彈藥領(lǐng)域的成功運(yùn)用。任何彈藥的改良都涉及到新材料新技術(shù)、冶金化工、光電機(jī)械、槍械彈藥匹配等諸多關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)，學(xué)科密集，交叉運(yùn)用。所以，一種新穎彈藥系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)研制及成功運(yùn)用，在一定程度上反映出一個(gè)國(guó)家的科技發(fā)展水平和工業(yè)制造能力，也能從中看到現(xiàn)階段一個(gè)國(guó)家對(duì)彈藥發(fā)展的新追求。

那么，到底聚合物彈殼彈藥在輕武器彈藥領(lǐng)域的發(fā)展前景如何呢？客觀(guān)地說(shuō)，很難給出一個(gè)準(zhǔn)確而科學(xué)的結(jié)論。因?yàn)槿魏我环N新型彈藥的出現(xiàn)，本質(zhì)上取決于技術(shù)上是否過(guò)硬;能否滿(mǎn)足戰(zhàn)術(shù)技術(shù)要求，進(jìn)而達(dá)到預(yù)期作戰(zhàn)效果;在設(shè)計(jì)上是否先進(jìn)合理，具有實(shí)效性;在工業(yè)制造過(guò)程中，可否提供物美價(jià)廉產(chǎn)品。除上述條件外，還應(yīng)考慮軍事、經(jīng)濟(jì)，甚至政治方面的因素。以美國(guó)新型12.7mm聚合物彈殼槍彈公開(kāi)的信息來(lái)看，項(xiàng)目是由美國(guó)防部辦公室和美國(guó)海軍陸戰(zhàn)隊(duì)聯(lián)合牽頭下達(dá)指標(biāo)。可見(jiàn)，美軍方觀(guān)點(diǎn)明確，態(tài)度堅(jiān)決，已經(jīng)從行動(dòng)上表明軍方對(duì)傳統(tǒng)金屬?gòu)棜椝幐牧嫉臎Q心，并向傳統(tǒng)彈藥提出有力挑戰(zhàn)。