小口徑穿甲彈防空反導(dǎo)技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展

焦延博,歐陽稠,羅文敏,王清清

(宜春先鋒軍工機(jī)械有限公司， 江西 宜春 336000)

1 引言

從海灣戰(zhàn)爭(zhēng)、科索沃戰(zhàn)爭(zhēng)和伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)的進(jìn)程中發(fā)現(xiàn)，空襲與反空襲已成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的主要作戰(zhàn)模式之一，防空反導(dǎo)將覆蓋未來戰(zhàn)爭(zhēng)的整個(gè)過程，并會(huì)對(duì)戰(zhàn)爭(zhēng)的進(jìn)程和結(jié)局產(chǎn)生重要影響。目前戰(zhàn)爭(zhēng)中防空反導(dǎo)體系主要面臨四大類空中目標(biāo)，即固定翼飛機(jī)、武裝直升機(jī)、航空炸彈和制導(dǎo)彈藥。根據(jù)目標(biāo)所處空域，依靠對(duì)空導(dǎo)彈攔截高空和中空目標(biāo)，將對(duì)空導(dǎo)彈和小口徑速射火炮形成混合火力攔截中空和低空目標(biāo)，而對(duì)于低空和超低空目標(biāo)則以小口徑速射火炮系統(tǒng)防御為主。防空反導(dǎo)體系中，各類武器系統(tǒng)的防御空域范圍有一定重疊，但無法彼此代替，它們可以相互彌補(bǔ)對(duì)不同距離目標(biāo)攔截能力上的劣勢(shì)。小口徑速射火炮系統(tǒng)通常是防空反導(dǎo)體系中最后一道火力屏障，擔(dān)當(dāng)“守門員”角色。穿甲彈作為小口徑火力系統(tǒng)的主要彈藥之一，其突出的特點(diǎn)是初速高、存速能力強(qiáng)、抗電子干擾能力強(qiáng)，憑借高射速和高精度在目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡上形成攔截彈幕。

本文從脫殼方式、彈芯材料和結(jié)構(gòu)以及毀傷效能三方面著手對(duì)國內(nèi)外近年來防空反導(dǎo)用脫殼穿甲彈的研究現(xiàn)狀和技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)其未來發(fā)展趨勢(shì)提出了看法。

2 脫殼方式

脫殼穿甲彈由飛行彈體、彈托和發(fā)射組件構(gòu)成，彈托在膛內(nèi)起定心和傳遞火藥燃?xì)馔屏ψ饔?，在彈丸出炮口后自行迅速脫落，這個(gè)過程稱為彈托分離，簡(jiǎn)稱脫殼。防空反導(dǎo)用穿甲彈在脫殼方式上經(jīng)歷了若干次發(fā)展。

1) 適口徑普通穿甲彈

最早裝備部隊(duì)的是適口徑的普通穿甲彈(AP)，這類穿甲彈的結(jié)構(gòu)種類繁多，主要差異集中在彈頭部，例如鈍頭穿甲彈、尖頭穿甲彈和被帽穿甲彈。這類穿甲彈均帶有風(fēng)帽，絕大部分彈體都設(shè)有藥室并裝填少量炸藥，使彈丸穿透裝甲后爆炸，能夠發(fā)揮二次效應(yīng)；僅有一小部分彈體采用實(shí)心結(jié)構(gòu)，純粹依靠動(dòng)能進(jìn)行毀傷。我國雙管37 mm高炮和瑞典40 mm高炮曾裝備該類穿甲彈。

2) 次口徑旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定脫殼穿甲彈

隨后出現(xiàn)了具有次口徑彈芯的旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定脫殼穿甲彈(APDS)，該類穿甲彈一般由高密度的鎢合金飛行彈體和低密度的鋁合金底托及增強(qiáng)尼龍彈托組成。這類脫殼穿甲彈的質(zhì)量約為同口徑普通穿甲彈的1/3，所以能夠獲得更高的初速，并且出炮口后，脫殼穿甲彈的次口徑飛行彈體空氣阻力小、速度衰減慢，在彈道終點(diǎn)具有更高的比動(dòng)能。因此，其穿甲能力較適口徑穿甲彈得到極大提升。旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定穿甲彈飛離炮口后，在離心力的主導(dǎo)作用下，尼龍彈托沿預(yù)制槽斷裂，飛行彈體與底托在空氣阻力差的作用下分離而解脫。受陀螺穩(wěn)定原理的限制，飛行彈體的長細(xì)比一般在5～6，其穿甲能力受到局限。我國7管30 mm艦炮脫殼穿甲彈和德國“獵豹”雙管35 mm高炮易碎脫殼穿甲彈采用了該結(jié)構(gòu)。

3) 次口徑尾翼穩(wěn)定脫殼穿甲彈

繼而問世的是次口徑尾翼穩(wěn)定脫殼穿甲彈(APFSDS)，該類穿甲彈主要由飛行彈體、鋁合金彈托卡瓣、鋁合金尾翼、緊固環(huán)、閉氣件和增強(qiáng)尼龍彈帶組成。它不受陀螺穩(wěn)定原理限制，飛行彈體的長細(xì)比可以增加到20∶1，其比動(dòng)能遠(yuǎn)大于旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定脫殼穿甲彈，因此同一門火炮發(fā)射的尾翼穩(wěn)定脫殼穿甲彈的穿深遠(yuǎn)大于旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定脫殼穿甲彈。在尾翼穩(wěn)定脫殼穿甲彈脫殼過程中起主導(dǎo)作用的是作用于卡瓣后部環(huán)形槽上的火藥氣體壓力和卡瓣前方環(huán)形槽上的空氣動(dòng)力，在它們的合力作用下，彈托卡瓣掙斷緊固環(huán)和彈帶，卡瓣與飛行彈體迅速分離，完成脫殼過程。我國11管30 mm艦炮、瑞典L/70式40 mm高炮和瑞士厄利空35 mm高炮裝備了該類穿甲彈。

4) 整體脫殼穿甲彈

近年來，隨著阿海德防空彈藥技術(shù)的出現(xiàn)，部分小口徑火炮的炮口前加裝了測(cè)速和裝定線圈。由于線圈的防護(hù)較為薄弱，很容易被旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定脫殼穿甲彈尼龍彈托的殘片或是尾翼穩(wěn)定脫殼穿甲彈的彈托卡瓣損傷，使得整體脫殼穿甲彈隨之產(chǎn)生[1]。整體脫殼穿甲彈主要由飛行彈體和彈托組件組成，當(dāng)彈藥整體長度不符合供輸彈系統(tǒng)要求時(shí)，可在彈丸上增加薄壁塑料延長帽。該類穿甲彈的特點(diǎn)是，依靠彈托組件的機(jī)括動(dòng)作，輔以曳光劑燃?xì)獾闹谱饔煤涂諝庾枇Σ钔瓿擅摎み^程；脫殼后彈托組件不產(chǎn)生任何殘片，彈托組件以完整形態(tài)保持一段直線飛行，從而達(dá)到不損傷炮口裝置的目的。薄壁塑料延長帽雖然在出炮口后會(huì)立即解體，但由于它的殘片既薄且輕，因此亦不會(huì)對(duì)炮口裝置造成損傷。我國近年裝備部隊(duì)的35 mm高炮脫殼穿甲彈采用了整體脫殼技術(shù)。

3 彈芯材料和結(jié)構(gòu)

脫殼穿甲彈芯主要分為鎢合金彈芯和貧鈾合金彈芯，這2種彈芯材料均具有高密度、高強(qiáng)度特點(diǎn)，具有優(yōu)秀的侵徹能力。我國和德國等國家在防務(wù)策略等綜合因素的影響下，把主要研究力量集中在鎢合金彈芯材料上；而美國和英國等較少考慮本土作戰(zhàn)的國家選用了貧鈾合金作為現(xiàn)代穿甲彈的彈芯材料。本文的研究對(duì)象是鎢合金彈芯。

1) 普通穿甲鎢合金

穿甲鎢合金是一種以鎢為基體，加入其它少量元素通過粉末冶金工藝制成的合金材料，材料體系主要為W-Ni-Fei和W-Ni-Cu。鎢的含量直接影響合金的密度和硬度，在實(shí)際應(yīng)用中，鎢含量一般控制在85%～97%，其中93W的鎢晶粒尺寸最佳，金相均勻分布，拉伸強(qiáng)度最大。合金中Ni/Fei比對(duì)合金的金相結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能有較大影響，合理的Ni/Fei比能夠防止固相析出過程中各元素組分的不均稱性。通常情況下認(rèn)為Ni/Fei比為7:3時(shí)達(dá)到最佳性能[2]。研究發(fā)現(xiàn)，可以通過添加微量元素達(dá)到改善鎢合金力學(xué)性能的效果，例如Co、Mo和Re等，它們起到固溶強(qiáng)化和細(xì)化晶粒的作用。鎢合金穿甲彈芯代替了以往的鋼制彈芯，使穿甲彈的侵徹能力大大提高；并且鎢合金有更高的彈性模量，使之在飛行過程中發(fā)生的形變較小，從而具有更高的射擊精度。

2) 含能穿甲鎢合金

隨著戰(zhàn)斗部技術(shù)發(fā)展與功能拓展，對(duì)穿甲彈彈芯材料要求不再只限于力學(xué)性能的提升，近年來有學(xué)者將鎢合金和含能材料相結(jié)合，形成含能穿甲鎢合金。王璐瑤等[3-4]對(duì)鋯基鎢合金的侵徹和釋能特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)鎢鋯合金材料同時(shí)具備類似普通穿甲鎢合金材料的動(dòng)能侵徹能力和類似穿甲燃燒彈中燃燒劑的縱火能力，并且靶前化學(xué)能耗小,化學(xué)能量集中于靶后釋放，并且釋能反應(yīng)主要階段在激活后1.0 ms內(nèi)完成。周杰、許華珍、杜紅棉等[5-8]研究發(fā)現(xiàn)，利用氟聚物基含能鎢合金材料制備的穿甲彈芯具有較高的強(qiáng)度，可以承受侵徹過載。含能鎢合金除了對(duì)目標(biāo)造成常規(guī)動(dòng)能毀傷外，在侵徹模擬戰(zhàn)斗部炸藥裝藥或沖擊有防護(hù)的燃柴油箱時(shí)，可以發(fā)生爆炸性化學(xué)反應(yīng)釋放大量能量，化學(xué)能和動(dòng)能沖擊共同作用引爆炸藥裝藥或燃油，可有效降低對(duì)彈靶臨界引爆、引燃沖擊速度的要求。含能鎢合金穿甲彈可以對(duì)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)侵徹、引燃、引爆的多功能毀傷效果，實(shí)現(xiàn)一彈多能，有利于簡(jiǎn)化武器系統(tǒng)的彈藥種類配置。我國12.7 mm、14.5 mm高射機(jī)槍和瑞士M39式、M61式20 mm高射航炮配備了該類彈藥。

3) 易碎穿甲鎢合金

易碎脫殼穿甲彈作為一類新型小口徑防空彈藥，具有穿甲彈縱向侵徹和爆破彈橫向破壞特征。易碎彈芯在穿過目標(biāo)裝甲后產(chǎn)生相當(dāng)于自身質(zhì)量30%～40%的碎塊，在離心力作用下，形成錐形碎塊束，對(duì)靶后造成大范圍的橫向破壞效應(yīng)。華志敏等[9]研究發(fā)現(xiàn)，易碎穿甲彈芯在侵徹靶板的過程中主要發(fā)生剪切破壞，在穿透靶板瞬時(shí)，彈芯在遠(yuǎn)大于強(qiáng)度極限的拉應(yīng)力作用下解體破碎，從而在靶后產(chǎn)生大量鎢合金碎塊。章程浩等[10]對(duì)易碎穿甲鎢合金進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)，隨著彈芯材料密度的增大，彈體變形能越大，彈體的破碎效果越好；隨著彈芯材料抗拉強(qiáng)度的減小，彈體材料穿透有限厚靶后越容易被拉伸破壞，彈體破碎效果越好；但是在對(duì)有限厚靶的斜侵徹過程中，彈芯材料密度和抗拉強(qiáng)度越小，彈芯越容易折斷，將削弱彈芯的整體侵徹能力和抵抗發(fā)射過載能力。大量試驗(yàn)研究表明，對(duì)于小口徑旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定脫殼穿甲彈，易碎鎢合金彈芯的抗拉強(qiáng)度在600～700 MPa之間為宜。我國6管25 mm高射炮曳光脫殼穿甲彈和瑞士厄利空PMC324式30 mm曳光脫殼穿甲彈的彈芯材料即為易碎穿甲鎢合金。

4) PELE穿甲彈芯

PELE即橫向效應(yīng)增強(qiáng)型穿甲彈體，是近幾年出現(xiàn)的一種基于新型毀傷機(jī)理的新概念彈藥。PELE穿甲彈芯由鎢合金外層殼體和裝在殼體內(nèi)部的低密度惰性材料組成，撞擊目標(biāo)時(shí)，彈芯內(nèi)部裝填物的壓力急劇增加儲(chǔ)存勢(shì)能，殼體產(chǎn)生徑向膨脹，彈芯穿透目標(biāo)后勢(shì)能釋放，殼體碎裂產(chǎn)生大量破片[11-12]。PELE穿甲彈芯的毀傷效果類似于易碎鎢合金穿甲彈，能夠穿透一定厚度的防護(hù)裝甲并在裝甲后產(chǎn)生榴彈效果的二次殺傷效應(yīng)。PELE彈芯的長徑比對(duì)其橫向破壞效應(yīng)具有一定影響。當(dāng)長徑比較大時(shí)，導(dǎo)致比動(dòng)能較大，擊穿多層薄靶板后的剩余速度較大(但是當(dāng)長徑比增加到一定程度后，侵徹多層薄靶板后的余速增量愈加不明顯)，充塞變形沒有充分覆蓋彈芯，橫向效應(yīng)僅發(fā)生在頭部高壓區(qū)；小長徑比的PELE在侵徹有限厚度靶板時(shí)，彈芯發(fā)生橫向破壞效應(yīng)的范圍更大，但由于比動(dòng)能較小，其整體侵徹能力會(huì)有所下降。尹建平等[13]的研究結(jié)果表明，彈芯的長徑比取4∶1～6∶1為宜，此時(shí)具有較強(qiáng)的穿甲能力和良好的橫向作用效果。德國迪爾公司和GEKE公司在12.7～30 mm口徑上研制了多種型號(hào)PELE。

5) 梯度性能鎢合金

梯度性能鎢合金是一種將易碎鎢合金與普通穿甲鎢合金結(jié)合使用的材料型式[14-15]。通常彈芯的前端部分具有易碎鎢合金特性，而后端保留了普通穿甲鎢合金的強(qiáng)度和韌性。通過調(diào)整坯料組分和燒結(jié)工藝，可將前端易碎段、后端普通段和中間過渡段鎢合金燒結(jié)成一體。梯度性能鎢合金既可用于旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定脫殼穿甲彈，亦可用于尾翼穩(wěn)定脫殼穿甲彈。對(duì)于大多數(shù)次口徑旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定脫殼穿甲彈，使彈芯發(fā)生旋轉(zhuǎn)的力來自底托和尼龍彈托的摩擦力，并由彈芯整個(gè)圓柱段均勻承受；但是旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定整體脫殼穿甲彈無法提供足夠的摩擦力以滿足彈芯穩(wěn)定力矩的要求，同時(shí)為保證彈芯外形平整光滑，出現(xiàn)了以彈芯后端局部承受全部導(dǎo)轉(zhuǎn)力的穿甲彈結(jié)構(gòu)；易碎鎢合金的韌性和強(qiáng)度不足，在該導(dǎo)轉(zhuǎn)力加載瞬間發(fā)生崩裂，為適應(yīng)這類穿甲彈結(jié)構(gòu)而催生了梯度性能鎢合金。另外，尾翼穩(wěn)定穿甲彈芯的環(huán)形齒處在發(fā)射過程中承受強(qiáng)烈的拉伸載荷，同樣會(huì)使易碎彈芯在膛內(nèi)斷裂；而桿式彈芯頭部主要承受壓應(yīng)力，符合易碎彈芯抗壓不抗拉的受力特點(diǎn)，該問題同樣可通過使用梯度性能鎢合金得以解決，使桿式彈芯具備二次毀傷效應(yīng)。我國雙管35 mm高炮脫殼穿甲彈即采用了梯度性能鎢合金彈芯。

4 毀傷效能

用于防空反導(dǎo)的小口徑速射炮主要對(duì)付空中的固定翼飛機(jī)、武裝直升機(jī)、航空炸彈和制導(dǎo)彈藥。某些高炮還兼有毀傷輕型裝甲車輛和防御工事等作戰(zhàn)使命。這些目標(biāo)雖然多數(shù)具備易損性特征，但是它們作戰(zhàn)空域大、運(yùn)動(dòng)速度高。因此需要依靠“彈幕”提高命中概率，并對(duì)穿甲彈提出了“命中即擊毀”的毀傷效能要求。在穿甲彈毀傷效能考核時(shí)，根據(jù)目標(biāo)特性將攔截目標(biāo)分解為主要功能組件，對(duì)穿甲彈毀傷各類功能組件的效果逐一進(jìn)行評(píng)估。

1)武裝直升機(jī)和固定翼飛機(jī)駕駛艙、設(shè)備艙

美國AH-64A“阿帕奇”直升機(jī)防護(hù)裝甲的等效裝甲鋼板厚度約為6～15 mm，俄羅斯“雌鹿”米-24D直升機(jī)防護(hù)裝甲的等效裝甲鋼板厚度約為6～10 mm，A-10攻擊機(jī)的等效裝甲鋼板厚度約為10～30 mm，Su-25攻擊機(jī)的等效裝甲鋼板厚度約為10 mm[16]。防護(hù)裝甲后的駕駛艙、發(fā)動(dòng)機(jī)艙和設(shè)備艙可以等效為若干層2 mm、3 mm和5 mm的鋁板[17]。武裝直升機(jī)和固定翼飛機(jī)的等效靶標(biāo)型式如圖1所示。使用35 mm口徑炮發(fā)射的旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定脫殼穿甲彈，采用含能易碎鎢合金彈芯，彈、靶撞擊速度約為1 150 m/s。對(duì)軍用飛機(jī)防護(hù)裝甲后的的駕駛艙、發(fā)動(dòng)機(jī)艙和設(shè)備艙模擬靶標(biāo)的毀傷效果如圖2所示，圖中鋁靶板的長寬約為1 200 mm×1 200 mm。

圖1 武裝直升機(jī)和固定翼飛機(jī)等效靶標(biāo)實(shí)物圖Fig.1 Equivalent figure of attack helicopter and fixed wing aircraft

圖2 對(duì)有防護(hù)的飛機(jī)艙模擬靶的毀傷效果實(shí)物圖Fig.2 Simulation of damage to a target in a protected cabin

將破壞系數(shù)Ph定義為多層鋁板的穿孔總面積與彈芯圓柱部斷面面積之比，近似表示為：

(1)

式中：M為鋁板的層數(shù)，N為每一塊鋁板上破片穿孔的數(shù)量，KL為破片穿孔近似為矩形后的長度，KW為破片穿孔近似為矩形后的寬度，d為飛行彈體的直徑。通常認(rèn)為破壞系數(shù)Ph超過140即可對(duì)軍用飛機(jī)造成中度毀傷，使其不能完成預(yù)定作戰(zhàn)使命，而實(shí)際可達(dá)到的破壞系數(shù)Ph在300～500，一發(fā)彈芯命中目標(biāo)后可對(duì)目標(biāo)造成重度毀傷或摧毀的打擊效果。

2) 有防護(hù)的燃油箱

輪式步兵車的裝甲防護(hù)鋼板厚度約為10～15 mm，履帶式步兵車的裝甲防護(hù)鋼板厚度約為10～30 mm[18]。裝甲車輛通常選用0#柴油作為燃料，軍用飛機(jī)的燃料一般航空汽油或航空煤油，三者的臨界引燃能量由大到小排列為：0#柴油>航空煤油>航空汽油。為檢驗(yàn)小口徑炮彈對(duì)有防護(hù)燃油箱的毀傷效果，國軍標(biāo)規(guī)定了等效靶標(biāo)型式。本文采集素材使用的等效靶為20 mm裝甲鋼板后放置鐵皮油箱，注入50%油箱容積的0#柴油，如圖3所示。使用35 mm口徑炮發(fā)射旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定脫殼穿甲彈，采用含能易碎鎢合金彈芯，彈、靶撞擊速度約為1 150 m/s，毀傷效果場(chǎng)景如圖4所示。

圖3 有防護(hù)燃油箱等效靶標(biāo)的毀傷效果實(shí)物圖Fig.3 Equivalent target diagram for protecting the fuel tank

圖4 穿甲彈對(duì)0#柴油箱的毀傷效果場(chǎng)景圖Fig.4 Armor-piercing bullet damage effect of 0# diesel tank

穿甲彈對(duì)柴油箱的作用是一個(gè)強(qiáng)制點(diǎn)燃的過程。首先彈芯擊穿防護(hù)裝甲產(chǎn)生灼熱的破片，破片擊穿油箱殼體在自身高溫的基礎(chǔ)上疊加了含能組分的燃燒熱能，共同作用于燃油蒸汽，使局部蒸汽發(fā)生燃燒反應(yīng)；急劇升高的氣壓配合因破片沖擊引發(fā)燃油對(duì)油箱殼體產(chǎn)生水錘效應(yīng)，殼體發(fā)生爆裂引入大量空氣，火焰迅速傳播使燃燒反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行[19]。在彈、靶撞擊速度和靶標(biāo)條件不變的情況下，彈芯材料極限穿透速度越低、穿透裝甲后破碎的部分越多、含能組分的燃燒熱越大同時(shí)反應(yīng)速率越高，穿甲彈對(duì)油箱的引燃效果越好。

3) 殺傷爆破型航空炸彈、導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部

這類戰(zhàn)斗部的殼體一般采用普通鋼材或炮彈鋼制作，裝藥通常采用TNT、B炸藥和H6炸藥。其特點(diǎn)是炸藥裝填系數(shù)大，戰(zhàn)斗部壁厚與半徑之比通常小于0.1，主要利用爆炸沖擊波和破片達(dá)到摧毀目標(biāo)或殺傷作用。使用35 mm口徑炮發(fā)射旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定脫殼穿甲彈，采用含能易碎鎢合金彈芯對(duì)B炸藥裝藥350 mm-100 kg級(jí)模擬靶彈(見圖5)進(jìn)行射擊，實(shí)現(xiàn)了重度(K級(jí))毀傷效果[20]，即戰(zhàn)斗部發(fā)生爆炸導(dǎo)致結(jié)構(gòu)解體，導(dǎo)彈被立即摧毀，如圖6所示，左下角掩體后放置彈道炮，炮、靶距離約為80 m，彈、靶撞擊速度約為1 150 m/s。

穿甲彈對(duì)裝藥戰(zhàn)斗部的沖擊引爆過程發(fā)生在彈芯直接侵徹炸藥裝藥的階段。炸藥裝藥在彈芯殘骸和戰(zhàn)斗部殼體塞塊的沖擊下產(chǎn)生熱點(diǎn)，同時(shí)彈芯材料中的鋯元素發(fā)生氧化反應(yīng)釋放熱值，在它們的共同作用下，炸藥裝藥產(chǎn)生熱點(diǎn)并發(fā)展成爆轟[21-22]。研究表明，在其他變量固定的情況下，穿甲彈對(duì)裝藥戰(zhàn)斗部的引爆效果隨彈芯入射角的加大近似呈正態(tài)分布變化，但在這個(gè)過程中引爆效果減弱的幅度小于增強(qiáng)的幅度。另外，彈芯對(duì)戰(zhàn)斗部殼體極限穿透速度越小、含能組分反應(yīng)速率越高、彈芯入射位置相對(duì)戰(zhàn)斗部中軸線越近，戰(zhàn)斗部越容易被引爆。

圖5 殺爆型戰(zhàn)斗部模擬靶彈(350 mm-100 kg級(jí))實(shí)物圖Fig.5 Explosion-killing warhead simulation (350 mm-100 kg class)

圖6 穿甲彈引爆模擬靶彈爆炸場(chǎng)景圖Fig.6 The armor-piercing projectile detonates a simulated target projectile

4) 半穿甲型導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部

半穿甲型戰(zhàn)斗部的殼體前端蓋厚度明顯大于爆破型戰(zhàn)斗部并且它配用的引信具有延遲功能，戰(zhàn)斗部能夠依靠動(dòng)能穿透艦艇裝甲進(jìn)入艦艇內(nèi)部引爆，是高效打擊大面積厚裝甲艦艇的戰(zhàn)斗部類型。艦艇高炮攔截來襲導(dǎo)彈的工況主要為迎頭攔截，穿甲彈彈芯在侵徹戰(zhàn)斗部殼體之前還需穿過導(dǎo)彈前端的導(dǎo)引艙和儀器艙等艙段，因此對(duì)彈芯的侵徹能力提出了較高的要求，大長徑比的尾翼穩(wěn)定脫殼穿甲彈更適合對(duì)付此類目標(biāo)[23]。在考核穿甲彈迎頭毀傷反艦導(dǎo)彈能力時(shí)，可將這些艙段等效成若干層鋁靶板，在鋁靶板后傾斜放置戰(zhàn)斗部模擬靶彈，靶標(biāo)整體型式如圖7所示,其中多層鋁靶板等效厚度之和約為40 mm，戰(zhàn)斗部模擬靶彈殼體前端蓋等效厚度約為65 mm。使用30 mm口徑炮發(fā)射尾翼穩(wěn)定脫殼穿甲彈，鎢合金彈芯中裝填含能破片，彈、靶撞擊速度約為1 200 m/s，對(duì)反艦導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部模擬靶標(biāo)的毀傷效果如圖8所示。

鑒于普通鎢合金彈芯對(duì)半穿甲戰(zhàn)斗部引爆效果不理想的現(xiàn)狀，在新一代小口徑尾翼穩(wěn)定脫殼穿甲彈的彈芯中加入了含能破片，形成一種以動(dòng)能侵徹沖擊波作用為主、含能活性材料化學(xué)能作用為輔的綜合毀傷模式。含能破片在彈芯侵徹戰(zhàn)斗部殼體和炸藥裝藥的過程中受到強(qiáng)烈的沖擊和擠壓載荷發(fā)生釋能反應(yīng)，釋放的化學(xué)能和侵徹沖擊波共同作用于炸藥裝藥，增加了炸藥裝藥單位面上的輸入能量，降低炸藥引爆臨界條件對(duì)彈芯剩余動(dòng)能的依賴程度[24]。研究結(jié)果表明，這種結(jié)構(gòu)的彈芯對(duì)多層鋁靶板在前、厚鋼板殼體在后的戰(zhàn)斗部模擬靶標(biāo)的毀傷效果顯著提升，彈芯命中有效區(qū)域時(shí)對(duì)炸藥裝藥的引爆率接近100%，對(duì)攔截目標(biāo)造成重度(K級(jí))毀傷。

圖7 半穿甲型反艦導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部模擬靶標(biāo)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Schematic diagram of the simulated target structure of the semi-perforated type anti-ship missile warhead

圖8 穿甲彈對(duì)模擬靶標(biāo)的毀傷效果場(chǎng)景圖Fig.8 The effect diagram of damage of armor-piercing bullet to target

5) 導(dǎo)彈儀器艙

隨著兵器科學(xué)的快速進(jìn)步，導(dǎo)彈的突防能力和雷達(dá)偵測(cè)難度不斷提高，使得彈藥精準(zhǔn)命中戰(zhàn)斗部的難度變大。另外，普通鎢合金彈芯對(duì)導(dǎo)彈儀器艙、舵艙等艙段的毀傷效果有限，不足以造成中度(C級(jí))或更高等級(jí)的毀傷效果[25]。為了滿足日益復(fù)雜的低空防空反導(dǎo)要求，改善穿甲彈毀傷模式單一的現(xiàn)狀，工程人員結(jié)合含能破片、易碎鎢合金和普通穿甲鎢合金優(yōu)點(diǎn)，研制了一種兼顧較強(qiáng)穿甲能力、高效引爆戰(zhàn)斗部能力、對(duì)非戰(zhàn)斗部艙段造成失效性毀傷能力的防空彈藥。儀器艙或舵艙的等效靶標(biāo)如圖9(a)(b)所示，在密封圓筒(尺寸以彈芯直徑d為單位)內(nèi)，使用鋁板將筒內(nèi)空間分隔成四個(gè)獨(dú)立艙室，在入射方向上順序編為Ⅰ號(hào)～Ⅳ號(hào)，在Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ艙室分別設(shè)置壓力傳感器，編為1號(hào)～3號(hào)。使用30 mm口徑炮發(fā)射尾翼穩(wěn)定脫殼穿甲彈，彈、靶撞擊速度約為1 200 m/s，對(duì)該靶標(biāo)的毀傷效果及靶標(biāo)內(nèi)壓力變化情況分別如圖9(c)、圖9(d)和圖10所示。

圖9 導(dǎo)彈儀器艙模擬靶超壓試驗(yàn)毀傷效果圖Fig.9 Overpressure test of simulated target in missile instrument module

圖10 傳感器儀器艙內(nèi)部壓力曲線Fig.10 Pressure curve inside the sensor instrument compartment

含能破片在鎢合金殼體的保護(hù)下穿過目標(biāo)前端蓋，彈芯前端的易碎段在侵徹的過程中不斷破碎，同時(shí)含能破片釋能反應(yīng)被激活，鎢芯主體擊穿整個(gè)目標(biāo)后，含能破片留在目標(biāo)內(nèi)部持續(xù)作用，反應(yīng)產(chǎn)物使目標(biāo)內(nèi)部的壓力和溫度驟增。超壓測(cè)試系統(tǒng)顯示，靶標(biāo)內(nèi)部氣壓相對(duì)大氣壓增加了3～4倍，隨后產(chǎn)生一個(gè)約為1倍大氣壓的負(fù)壓差。位于Ⅲ號(hào)艙室的2號(hào)傳感器讀數(shù)略高于位于Ⅱ號(hào)艙室的1號(hào)傳感器，但壓力衰減相對(duì)更快。造成這種現(xiàn)象的原因是含能破片在Ⅲ號(hào)艙室的釋能反應(yīng)更加充分，但易碎鎢合金對(duì)靶標(biāo)隔層和端蓋造成的穿孔面積也在不斷增加，因此壓力峰值和衰減速度均相對(duì)較大。壓力急劇變化引發(fā)的強(qiáng)震、含能破片釋能引發(fā)的燒蝕、易碎鎢合金破片的大面積沖擊，在這些效應(yīng)的綜合作用下，對(duì)艙內(nèi)的電子元器件、各類機(jī)構(gòu)和殼體蒙皮造成了較為理想的毀傷效果。

5 發(fā)展方向

隨著現(xiàn)代兵器裝備技術(shù)突飛猛進(jìn)，對(duì)武器系統(tǒng)和彈藥性能的要求與日俱增，各國均在防空反導(dǎo)技術(shù)領(lǐng)域開展了大量研究，以提高軍事力量和技術(shù)儲(chǔ)備上的競(jìng)爭(zhēng)力。本文從彈藥整體結(jié)構(gòu)、彈體材料和目標(biāo)特性3個(gè)方面進(jìn)行分析，對(duì)防空反導(dǎo)用小口徑穿甲彈的發(fā)展趨勢(shì)提出看法：

1) 彈藥整體結(jié)構(gòu)向埋頭彈發(fā)展

目前國內(nèi)小口徑炮彈的稱謂形式以“口徑+功能”為主，例如25 mm脫殼穿甲彈、30 mm可編程引信定距殺爆彈和35 mm多束定向預(yù)制破片彈等；而從近年來防務(wù)展上可以發(fā)現(xiàn)，法國、德國和瑞士等國家對(duì)彈藥的稱謂發(fā)展為“口徑×整彈長度+功能”，例如40×255 mm APFSDS-T、35×228 mm FAPDS和30×165 mm FAPDS-T等，可見彈藥整彈的長度已逐漸成為一個(gè)重要指標(biāo)。究其原因，是由于現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)武器裝備的靈活性、可靠性提出了更高的要求。嵌入式彈藥(埋頭彈)應(yīng)運(yùn)而生，它具有結(jié)構(gòu)緊湊、整體質(zhì)量小、發(fā)射裝藥空間和儲(chǔ)彈倉空間利用率高等優(yōu)點(diǎn)[26]。小口徑穿甲彈整體結(jié)構(gòu)向埋頭彈發(fā)展是大勢(shì)所趨，法國CTA國際公司研制了40 mm尾翼穩(wěn)定穿甲埋頭彈，美國正在積極發(fā)展45 mm口徑埋頭彈，在這方面我國已經(jīng)開展起35 mm和40 mm埋頭彈藥及火炮的研制工作。

2) PELE內(nèi)芯向含能材料發(fā)展

PELE的內(nèi)芯材料通常為鋁合金、尼龍或聚乙烯等低密度材料，內(nèi)芯材料的泊松比或彈形模量越大越有利于增強(qiáng)靶后破片橫向效應(yīng)。增強(qiáng)尼龍的彈性模量約為2.8～3.8 GPa，聚乙烯的彈性模量約為0.84～0.95 GPa。根據(jù)文獻(xiàn)[27-29]的研究結(jié)果，鋁粉/聚四氟乙烯粉/鎢粉按一定比例燒結(jié)成含能材料，密度約為3.0 g/cm3，其彈性模量約為0.7 GPa。含能材料以1 110 m/s的速度撞擊目標(biāo)時(shí)，釋能反應(yīng)在材料內(nèi)部產(chǎn)生9.4 GPa的沖擊壓力。文獻(xiàn)[30]研究表明，常見炸藥的臨界引爆能量和臨界引爆壓力如表1所示。可見含能材料的釋能反應(yīng)對(duì)穿甲彈引爆炸藥裝藥的助力效果明顯。以該類含能材料作為PELE的內(nèi)芯，雖然對(duì)靶后破片增強(qiáng)的物理效果略遜于尼龍或聚乙烯，但其釋能反應(yīng)產(chǎn)生的沖擊效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他內(nèi)芯材料。研制物理特性適合作為PELE內(nèi)芯的含能材料，具有十分可觀的應(yīng)用前景。

表1 常見炸藥的臨界引爆能量和臨界引爆壓力(GPa)Table1 Critical detonation energy and critical detonation pressure of common explosives(GPa)

3) 鎢合金彈芯材料增強(qiáng)自銳化

由于鎢合金穿甲彈芯在撞擊裝甲時(shí)會(huì)鈍化成蘑菇狀，侵徹性能受到一定影響。而貧鈾穿甲彈彈芯在撞擊裝甲時(shí)具有自銳性，穿甲性能優(yōu)于鎢合金彈芯10%～15%[31]。因此美、英等未將本土作戰(zhàn)作為戰(zhàn)略基礎(chǔ)的國家對(duì)貧鈾穿甲彈開展了大量研究，其中美國在20 mm、25 mm和30 mm口徑炮上都配備的貧鈾穿甲彈，最為著名的“密集陣”火炮系統(tǒng)。我國和德國等國家雖然在貧鈾穿甲彈上開展了一些基礎(chǔ)研究，但沒有將其列為為重點(diǎn)，而是繼續(xù)深挖穿甲鎢合金材料潛能，縮小與貧鈾穿甲彈芯的性能差距。其中，德國萊茵金屬公司研發(fā)的WHA Ⅳ材料(鎢重合金)彈芯，以及我國研究的鎢纖維增強(qiáng)金屬玻璃復(fù)合材料彈芯均具有接近貧鈾合金彈芯的自銳化能力。劉金旭、陳小偉等[32-34]研究發(fā)現(xiàn)，這類鎢合金彈芯在侵徹裝甲的過程中，彈芯頭部可發(fā)生絕熱剪切破壞，形成很薄的邊緣層，僅在這層中金屬玻璃破碎、鎢纖維斷裂、質(zhì)量消蝕，使其侵徹能力明顯高于普通鎢合金穿甲彈芯。

4) 攔截目標(biāo)囊括中小型鉆地彈

鉆地彈是一種攜帶鉆地彈頭(或稱侵徹戰(zhàn)斗部)專門用于攻擊機(jī)場(chǎng)跑道、地面加固目標(biāo)尤其是地下設(shè)施的特種彈藥，對(duì)地下設(shè)施和人員構(gòu)成致命的威脅。鉆地彈的戰(zhàn)斗部采用鎳鈷合金鋼、鈦鎢合金等高強(qiáng)度殼體，內(nèi)裝PBX鈍感炸藥。具有代表性的中小型鉆地彈有130 kg級(jí)的GBU-39/B、225 kg級(jí)的BLU-111和450 kg級(jí)的BLU-110，通常采用攻擊機(jī)、轟炸機(jī)或武裝直升機(jī)投擲，也有部分導(dǎo)彈搭載鉆地戰(zhàn)斗部[35]。BLU-110的彈體壁厚約為30 mm，等效裝甲鋼板厚度達(dá)80～100 mm。對(duì)于現(xiàn)有穿甲彈來說，鉆地彈裝甲厚、炸藥鈍感、運(yùn)動(dòng)速度快(2～3Ma)，是攔截防御的難點(diǎn)。經(jīng)過相關(guān)試驗(yàn)和論證，我國現(xiàn)有的35 mm口徑炮發(fā)射的桿式穿甲彈很難對(duì)其造成有效威脅，根據(jù)國外公布的數(shù)據(jù)，配用于40 mm口徑炮的尾翼穩(wěn)定脫殼穿甲彈能夠可靠擊穿120 mm厚軋制均質(zhì)鋼板，但其剩余能量能否引爆PBX鈍感炸藥仍屬未知，況且在炸藥裝藥與戰(zhàn)斗部殼體之間還有一層起緩沖作用的材料。研制適合攔截中小型鉆地彈的穿甲彈，需要在整彈結(jié)構(gòu)、發(fā)射裝藥技術(shù)、粉末冶金技術(shù)領(lǐng)域同時(shí)發(fā)展，提高彈藥的綜合性能。