复合装甲技术浅析.doc

甲与弹的对抗，最早可以追溯到冷兵器时代的箭与甲，火器时代开始以后，随着弹的飞速发展，原始意义上的甲逐渐退出了历史舞台，这个时期，火器对人员的杀伤只能用恐怖来形容，而这个时期（自火器时代的开始到坦克出现为止）可以说，甲处于绝对劣势的状态，这个时期步兵只有钢盔可以为头部提供有限的防护，而装甲汽车因为动力不足和越野性能差，无法大规模使用，导致野战时步兵冲锋过程中几乎没有丝毫防护，伤亡触目惊心。 事情到了1916年9月15日开始出现了重大转机，在这一天，有49辆菱形的钢铁怪物投入了当时陷入僵局的索姆河前线，轧轧的履带碾碎了德军的防线，人类陆战史上划时代的兵器诞生了，英国人为了保密，给这一兵器取名“tank”原意为水箱，后来成为这一武器的正名，坦克，一个现代陆战史上划时代的兵器诞生了 在初期，坦克的防御都是靠铆接的高碳钢板，到二战结束后，焊接和铸造等更加牢固可靠的装甲连接方式开始在坦克上投入使用，再加上合金钢的应用以及倾斜装甲理论的提出，使得坦克的防护水平不断的取得飞跃式提高，不过，在这一时期，防护力的提高，还是主要靠增加装甲厚度来实现的，但是单纯依靠提高厚度的思路有很大的局限性，因为受到动力系统技术水平和通过性的限制，坦克不可能造得太过沉重（倾斜装甲并不节省重量，所以不能靠倾斜化来解决这一问题），于是，在材料上想办法，通过改变装甲材料的成分等来提高防护的想法被提出来，复合装甲呼之欲出。下面，就让我们来分析一下复合装甲的相关问题 （2）关于复合装甲的定义 复合装甲，顾名思义，即复合材料构成的装甲，一般来说，是由一种或者几种物理性能不同的材料，按照一定的层次比例复合而成，依靠各个层次之间物理性能的差异来干扰来袭弹丸（射流）的穿透，消耗其能量，并最终达到阻止弹丸（射流）穿透的目的，按照这一思路不断完善的轨迹，让我们来看看这一坦克防护方面革命性的技术的发展历程 （3）雏形 二战时期，德军在其坦克上大量使用了表面硬化装甲，即在装甲钢的表面通过渗碳等工艺，形成一个硬化层，其防护机理是：靠高硬度表面撞碎来袭弹丸，并靠韧性相对较高的背板来吸收弹丸的动能，从而达到阻止弹丸穿透的目的，而这一时期的穿甲弹，大多数都是高硬度钢制作弹芯的普通AP，只要表面硬化层硬度足够，这一理念是绝对可行的，而那个时代的HEAT还很不成熟，很不稳定，还不足以对装甲构成无法防御的致命威胁，APCR（HVAP，次口径高速穿甲弹）才刚刚起步（直到二战末期才被美军大量使用）。但是表面硬化技术复杂，所需工时很长，所以成本也很高，但是在当时来说相对优异的防护性能也使得这些付出得到了一定的回报（这也有德国自身的原因，由于德国坦克上使用的装甲钢板普遍性能不是很好，K值比较低，一般只有1950-2150，而同期苏联和美国的装甲钢板K值至少也有2000，采取表面硬化装甲虽然取得了不错的效果，但实际也是迫于装甲质量不佳的无奈之举） 但是随着弹药技术的发展，表面硬化装甲逐渐风光不再，APBC（风帽穿甲弹）等依靠弹头的被甲保护弹头，使得表面硬化装甲的“武功”被废了，一些穿甲弹对表面硬化装甲的威力甚至还要高于对RHA的威力还要大（如下表） BR-350APENETRATION 射距.均质装甲.表面硬化装甲 50m.80mm.83mm 100m.77mm.82mm 500m.68mm.75mm 1000m.59mm.66mm 1500m.53mm.59mm 由上表我们可以看出，只要弹丸结构优化合理，表面硬化装甲的防护机理“靠对来袭弹丸构成致命毁伤来阻止穿透”就无从实现，再加上重金属弹芯的APCR的逐步普及，表面硬化装甲彻底丧失了其安身立命的根本机理，再加上漫长的工时，复杂的技术和高昂的成本。表面硬化装甲逐渐退出了历史的舞台，但是表面硬化装甲实践了在一种装甲上采用物理性能不同的材料（表层比内层要坚硬）的可行性，可以认为，是复合装甲思路的一次不甚成功的试验，也可以认为，表面硬化装甲是复合装甲的雏形（4）催生：HEAT的致命威胁 二战以后的一段时间里，装甲依旧是靠增加厚度来对抗弹的威胁，但是随着金属射流穿甲弹（即破甲弹HEAT）的逐渐成熟，普遍穿深达到300-400MM的HEAT弹使得继续增加装甲厚度因为受重量的限制变得不可能，于是只有另辟蹊径，从材料上下工夫，于是，第一种复合装甲在HEAT的威胁下诞生，T-64有幸成为这次技术革新的领军者，开拓了复合装甲的先河 T-64（工程代号OB432）的第一辆样车于1964年被制造出来，该坦克采用了大量之前没有任何量产坦克所没有采用过的新技术，诸如钢-玻璃纤维-陶瓷复合装甲，二冲程增压柴油机，自动装填系统等，但也因此而付出了不稳定，机械故障频仍的代价。但是，在坦克上采用钢-非金属材料复合装甲，这在坦克发展史上还是首次。就以T-64的车体首上装甲为例，来简单分析一下 T-64的首上装甲由外至内分别为：锻压钢板、陶瓷材料，高硬度锻压钢板、玻璃纤维，陶瓷材料和防中子材层，其中陶瓷材料层为刚玉陶瓷（三氧化二铝），内层钢板的硬度远大于外层，强化玻璃纤维材料则是韧性较好的材料，这样其机理可以简单分析为：当弹丸（射流）入射时，击穿外层锻压钢板后，消耗了一定能量的弹丸（射流）遇到硬度极高的高硬度陶瓷板，因为密度和硬度的差异，弹丸（射流）在能量大量消耗的同时弹道特性也遭到破坏，再加上后继的高硬度锻压钢板和作为背板的玻璃纤维材料，弹丸（射流）的能量继续遭到消耗的同时，弹道特性也严重遭到破坏，最终无法穿透装甲，从而达到保护坦克本身的作用。使得坦克的防护力有了相当的提高。 T-64的后继者（或者也可以说是简化版本）T-72的车体首上也采用了复合装甲。但是结构较之T-64来说要简单很多，外层为80mm厚钢质装甲，中间层为104mm厚的玻璃纤维，内层为20mm厚的钢装甲（这里指T-72基本型即T-72A，用于外贸的T-72M，T-72M1也是这种结构，但是在最外层附加了一层20MM厚的钢板）。这种复合装甲相比T-64的复合装甲来说构造简单，成本也低，但是这种装甲虽然对HEAT效果不错，对APFDS（这一时期APSDFDS还没成为主流弹种）效果却不佳，所以即使在严格限制成本的T-72上，不久也被废弃了。 炮塔的防护一直是坦克防护的重中之重，T-64基本型和T-72基本型（T-72M，T-72M1也是如此）均采用了正面厚度达到400MM的铸造匀质钢装甲，防护效果并不理想，T-64A，T-72B开始，在炮塔正面使用了夹层，早期的T-64A以及几乎所有的T-72采取的是封铸低密度防护组件的方法（一般是约束性人造石英棒之类的材料）通过这种密度的差异来改变弹丸（射流）的弹道特性，从而达到对抗反装甲火力的目的，后来的T-64换装了陶瓷+玻璃纤维的结构（也有说法是夹层内换装了金刚砂制成的防护组件，但是没有佐证，不过有一点是可以肯定的，T-641975年以后生产的型号，正面在不挂装反应装甲的情况下都可以顶住陶-1的攻击），而T-72由于受到成本的限制，直到前苏联解体前还没有什么消息证实T-72那种型号应用了陶瓷防护组件，不过对HEAT的防护效果还是不错的。基本上达到了其设计初衷。而在这一时期，西方的主流主战坦克（M60A3，豹1，酋长）还是全钢防护，不得不承认，苏联人在坦克方面的确走在了世界的前列 （5）进化：NERA的使用 1976年6月22日，英国宣布制成“乔巴姆“复合装甲，则又标志了复合装甲的一次里程碑式的飞跃，这种装甲的结构大概是（据TANK-NET上的说法）是钢板陶瓷膨胀装甲钢板组成的，其中陶瓷材料被约束在钢套内，膨胀层推测是聚氨酯一类的比较柔软的材料构成的，这种装甲的具体材料和工艺目前还没有完全公开，目前所知道的只有其机理，即在弹丸（射流）入射时，由于柔性材料的形变导致弹丸（射流）偏移，随着弹丸（射流的深入，位移不断加剧，最终靠钢板之间的异板块效应切断弹丸（射流）并且使其丧失能量，最终无法穿透装甲，由于其机理与反应装甲的机理相似，但是没有主动爆炸这一过程，所以被称为被动反应装甲（NERA） NERA的出现，使得装甲对抗弹药由原来的“硬气功”变成了“太极推手”使得装甲终于可以在不大幅度提高厚度的前提下增强防护，对于以后坦克防护的发展有着很深远的意义 在1986年首次亮相的T-72B，在其首上也换装了新的NERA结构为多层钢板内填充橡胶，机理与“乔巴姆”类似，但又有所不同，金属部件全部由钢板构成，没有陶瓷组件（也是出于成本的考虑，毕竟是低档产品）所以对硬芯穿甲弹的效果不如“乔巴姆” （6）新的发展 随着穿甲弹药技术的不断发展以及材料技术的不断更新，复合装甲也有了新的发展，诸如贫化铀陶瓷复合装甲和液态复合装甲等，本人将在以后在专文中介绍（实在是累鸟，文章不是那么好写地） （7）总结和一些误区 复合装甲的出现，是坦克防护技术史上的一次革命，它的诞生使得坦克走向了靠新的材料技术而不是单纯增厚装甲提高防护的道路，某种程度上也使得坦克从反坦克武器的致命威胁下走出来，重新夺回了陆战之王的宝座，可以毫不夸张的说，复合装甲拯救了坦克这一兵器 一些误区 误区1：复合装甲的防护一定高于匀质装甲 这是非常常见的误区，实际复合装甲诞生之初就是为了对付HEAT，并且对付APSDFDS这一弹种，目前主要的方式还是靠硬扛，而且很多时候采用复合装甲是为了减轻重量（比如使用铝合金等轻材料），所以复合装甲一般并不比同厚度钢斯大林批准转的，擅自转载看了就死全家装甲（在对付APSDFDS时）更高，有时候前者还低于后者 误区2：关于复合装甲的防御能力 目前并没有什么数学公式可以用来计算复合装甲的当弹厚度，所以一些数据都是靠测试打出来的（具体操作是用某种弹药试射装甲，测出其防护几率，再换算这种弹药在靶场上对RHA的威力，从而得出一个数值。其实这个数值应该表述为在XX距离上对XX弹药的抵御几率为XX%，而不是我们常见的XXMM克制装甲弹与甲的机理甲与弹（1） （原创）（第一部分弹） 历史上，炮弹穿透与装甲防御间的较量一次又一次决定了地面战役的胜败。矛与盾的冲突一再证明，它不光是一个古老的笑话那么单纯。 火力、防护和机动性能是现代装甲车辆设计所围绕的三个基础概念。从战役的较宏观角度看，机动性能也许是三者中至关重要的。在战场上的拼杀中，防护和火力却往往成为了决定生死的根本因素。 机动性、防护和火力三者相辅相成而又互相克制。这个道理由重骑兵时代一直延续到现今。没有好的防护，战斗力不能持续，再强的火力和机动性也无用武之地。而提高防护又增加重量和负荷，降低灵动能力，不利于火力的发挥。二战后期，德国的一些坦克设计放弃机动能力，一味注重装甲与火力，历史证明这样的思路是愚蠢的。正确的装甲设计概念应该是在能够达到必要的灵动性能的前提下尽可能地提高防护水平。 提高装甲防护水平的途经多种多样，但大多由于大幅度提高成本而不受欢迎。最便宜的方法是加大装甲厚度。近一个世纪以来，装甲不断增厚，坦克的重量从二十吨变成三十吨，三十吨又增加到四十吨、五十吨。到酋长坦克，炮塔正面装甲的厚度已经达到了四百毫米！发动机、传动等技术的水平严重制约了重量的继续增加，各国只好从调整装甲堆积的部位入手减轻整体重量，出现了护上不护下的豹1和护前不护后的T-62。即便如此，防护水平仍无法平衡反装甲火力的增强趋势。到了七十年代，设计师们终于明白了不能只从装甲厚度着手解决问题，装甲技术出现了一次重大改革。苏联开始走反应装甲的路，西方则倾向于乔巴母一类的复合装甲。防护水平出现了质的飞跃。但反装甲技术仍然在不断提高，装甲技术也只好不停地发展、革新。一，碎甲弹 碎甲弹(HighExplosiveSquashHead)本来是2战时的反工事弹药，用来破坏坚固的钢筋混凝土工事。由于它具有一定的反装甲作用，而又可以有效的杀伤人员，后来被作为一种多用途弹装备坦克。今天，装备线膛坦克炮的一些国家仍然在使用和发展碎甲弹，但它们的能力已不足以作为对坦克的主攻弹药。碎甲弹的作用原理很简单。它的弹头让爆破物贴近装甲爆破，产生震荡波。震荡波沿垂直于装甲表面的方向传递。如果震荡波能传递到装甲另一面，由于遇到界面，被反射回来并与仍然向界面传递的波形产生重叠。这种重叠在接近装甲背面的地方特别严重。当波形重叠后，分子的震荡幅度急剧增加，物质结构遭到破坏。碎甲弹对匀压制板块的作用最好。例如匀压制钢板，其中的杂质在制造过程中被压成平行于装甲板块表面的碟片混杂在钢材中，这些碟片受震荡波推动产生大幅度位移，板块因此碎裂。 碎甲弹的弹头罩由较软的金属构成，里面是层叠压合的A3(91%RDX+9%蜡)或C4(91%RDX+9%塑料纤维)。当撞击装甲时，弹头罩被压扁，爆破物与装甲表层良好地大面积接触，继而在压力作用下产生爆破。当装甲角度在65度以下时，碎甲弹的作用受装甲倾斜度数的影响不大。弹头罩可以根据装甲的斜面产生变形，这样爆破的震荡波仍然沿垂直于装甲表面的方向传递。碎甲弹可以令匀压制钢甲的内层大约1.5-1.8倍弹径的厚度碎裂。碎片以50-250米/秒的速度向坦克内部喷射，对人员、器械造成伤害。英国的L35105毫米碎甲弹可以震碎150毫米的匀压制钢板。又例如南斯拉夫的105毫米M61碎甲弹，足够震碎T-55的炮塔正面装甲，说明它的破坏能力也在150毫米以上。 但碎甲弹基本只能对匀制装甲作用。当遇到不同材料层叠混合的装甲时，震荡波在各材料接触的边缘被混乱地折射、反射，无法有效重叠，作用也就不明显。间隙装甲则能更有效地抵御碎甲弹。由于震荡波不能在空气中传递，间隙装甲的空隙让碎甲弹无法对主装甲层造成破坏。 由于碎甲弹的弹头外壳由软金属(无碳钢、铜)构成。弹的飞行速度不能太快。否则外壳在飞行过程中会因为受到气流形成的大阻力变形，造成爆炸物提前爆破。同时，由于结构软，在炮管中的加速运动也受到限制。通常碎甲弹的飞行速度在650-750米/秒上下。这样的飞行速度，外弹道飞行时间长，如果采用尾翼的稳定方式，横向风会令弹体产生较大的偏差，严重影响其精度所以碎甲弹通常利用弹体的旋转来取得精度(旋转中的弹体的惯性令弹头总是指向原来的飞行方向)。由于滑膛炮给予弹体足够的旋转比较困难，碎甲弹基本只为线膛炮设计。 今天，碎甲弹已不足以摧毁中、重型坦克甚至一些有特殊结构的装甲车、轻坦，但仍然能有效地摧毁装甲目标的观摩系统，使它们丧失战斗力。碎甲弹的外壳由于爆破形成碎片，有一定的作用面积，这对人员也有一定杀伤力。同时，碎甲弹仍能有效地摧毁钢筋混凝土的工事和一些轻装甲目标。今天，它仍然很多国家的坦克中被作为附用弹使用。 二，破甲弹 破甲弹(HighExplosiveAntiTank)与碎甲弹同属化学能弹药(CE)。实际上这一定义并不规范。破甲弹的打击方法实际上是动能打击，只是聚集动能的方法是化学方式。 破甲弹的攻击部外壳包裹的是压成圆柱形的高爆物质。这个圆柱的顶端挖了一个圆锥形的坑，坑壁上压上铜一类金属制造的一张衬层。打击时，爆破来自于圆锥后方，冲击波以8000米/秒的速度冲击金属衬层，集中在圆锥顶点上。整个衬层于是向圆锥的底部压缩，压强被集中在圆锥的中线上。受到压缩的金属衬层堆集到一起，继而由圆锥底部的中心被向外推出。由于爆破冲击波产生的压强非常庞大，金属是以8000米/秒-9000米/秒的速度向外喷直线喷出的。虽然仍然是固态的金属，但强大的动能使它的运动方式近似于液态(温度并不高)。当衬层在压力的作用下堆集时，由于冲击波需要推动的质量逐渐增加，单位质量得到的动能也逐渐减少。其直接结果是，最初射出的金属速度在8000米/秒以上，而后面射出的逐渐减少至2000米/秒上下。速度的区别令射出的金属形成柱状，被称为金属射流。金属射流撞击装甲时，它强大的动能逼迫构成装甲板块的物质向四周液态流动，让出一条隧道。但同时，射流的首部也不断向四周扩散，射流也就不断被耗费。如果射流完全被耗费时仍无法穿通装甲，装甲胜利。但如果在射流在完全被消耗掉前贯通装甲，它将携带着撞击和穿透过程中形成的碎片高速喷射入车辆内部，杀伤人员、破坏器械。 射流首部的速度在25马赫左右，远远高出撞击装甲后震荡波的传递速度，所以不受震荡波形成的张合压强的影响，不会折断或者碎裂。但金属射流的密度并不高，一些高硬度的板块可以有效地抵御它的侵袭，令射流在表层大量消耗，例如陶瓷装甲模块。另外金属与非金属材料层次重叠的一些装甲结构可以有效地以碎片袭入射流穿透的途径，扰乱它，减少其穿击能力。总地来说，破甲弹对匀压制钢仍十分有效，通常可以穿透弹径5倍以上厚度的匀压制钢板。 P=Lj/t 以上是计算破甲弹穿透能力的基本公式。P是穿深，L是金属射流的长度。j和t分别是金属射流和被打击的装甲的密度。另外是一个复合系数，包括多方面的影响。 从这一公式可以看到，金属射流的长度越大，穿深越大。前面提到，射流的首尾的速度有区别，在前进过程中，首尾的间隔也不断增大。最理想的情况下首尾要分离到不断裂的最大程度，这样射流的长度最大，穿深也最大。但当首尾间距加大到一定程度时，射流会断裂成许多小截，失去穿透能力。所以设计破甲弹时要求将其起爆距离设置得正好可以在撞击装甲前形成连贯而长度又大的金属射流，通常在弹头前端装置探杆来达到这一目的。探杆的长度根据弹体的不同构造通常要求在弹头(也就是圆锥体底部)直径的4到7倍， 探杆撞击装甲时引爆弹头的炸药，这样射流在弹头接触装甲表面前开始形成，提前达到理想的长度和密度。但大口径的破甲弹，探杆也必须很长。长探杆构造受到弹药的设计与使用的制约，所以很多时候小口径的破甲弹效果反而比大口径的好，主要因为小口径的设计容易满足起爆距离的要求。 破甲弹的金属衬层通常是铜制的。铜的密度比较大，同时流动比较容易，能够形成比较均匀的射流。从破甲弹威力的公式看，能够流动的衬层密度越大，穿透能力越强。金虽然是一种非常昂贵的金属，但它柔软而比重又高，实际上是非常好的衬层材料(现在弹药的价格来看，即使黄金真的被用上也不足为奇)。其它很多重金属虽然密度足够，却难以压迫成射流。随着制造工艺的进步，近年来贫铀也开始被作为衬层材料。对匀压制钢，贫铀衬层的破甲弹从理论上看应该相对铜制衬层的同构造破甲弹的穿透能力提高40%，但由于高密度的物质受压迫形时成射流相对缓慢，实际上贫铀衬层只相对铜制衬层的威力提高20%左右。但更重要的是，高密度衬层对陶瓷一类的高硬度低密度装甲板块的作用良好。衬层的厚度通常在弹头直径的2%上下。金属衬层在爆破的冲击波压迫下堆集并形成射流，堆集的方式直接影响着射流的均匀状态与速度。圆锥形的衬层由顶点向底面凹入，堆集的金属质量逐渐增加，射出的速度也不断减少。高速的射流射出以后，很大一部分堆集成块的金属会被留在后头，以300-800米/秒的较低的速度抛出。衬层圆锥的造型关系着射流和堆集块的速度。锥头的角度越小(圆锥越尖)，射流越细长，穿透能力也就越强。锥头的角度增大，射流变得粗短，虽然穿透的深度降低，但破坏面积增大，穿透后携带的碎片也更多，造成的穿透后效益更严重。另外射流后的金属堆集物的速度随锥头的角度增大而增加。 锥体的造型必须合适，这样既具有足够的穿透能力(射流长度足够)，又具有良好的穿透后作用(射流直径足够、剩余堆集物速度快)。为达到最好的效果，一些先进的破甲弹采用了喇叭形或者双角度(锥体壁中段改变角度，顶头尖，边缘阔)。但锥体必须有良好的对称性，否则衬层在挤压下凹入不均匀，也就无法形成均匀的射流，所以这些特殊造型的衬层对制造工艺的要求也比较高。 除了锥体角度外，冲击波峰与衬层接触的角度也至关重要。冲击波程弧形，弧面与椎体壁形成夹角。如果冲击波来自椎体的顶端，波峰与衬层成几乎90度的夹角，形成的射流不均匀，且大量的金属在没有被推出去前形成堆集，阻塞路线。波峰与椎体壁的夹角实际上越小越好，这样把椎体壁由四周向中间压迫进去，射流细长均匀，且堆集物减少。所以最好的情况下爆破来自椎体四周而不是顶端。让爆破物由椎体四周的间距的点上开始燃爆可以达到这一目的，但这样的设计难度也相对较大。较简便的方法是在椎体下方中间放置惰性物质冲击波无法从惰性物质中穿过，只好由其四周前进。 另外，旋转对破甲弹穿深的负面影响非常大。金属衬层的旋转会令产生的射流携带角加速度。在角加速度作用下，射流会由于离心力分散，密度减少，均匀性下降，穿透能力当然也降低。衬层是圆椎形的，椎底相对椎头的直径更大，所以旋转时椎底的角速度也更大。射流形成时由椎头到椎底，所以旋转下射流的后端相对前端更为分散。另外起爆距离越大，旋转产生的分散作用的作用时间越长，影响也越强。下图中可以基本看到旋转对于破甲弹穿透能力的负面影响，说明破甲战斗部是不适于用在旋转稳定的弹头上的。 三，穿甲弹 介绍一个穿透公式 P：穿透的深度(毫米) V：穿杆的速度(千米/秒) L：穿杆的长度(毫米) D：穿杆的直径(毫米) S：直径比例系数，将穿杆的直径与6.4毫米进行比较 M：穿杆的材料系数，是一个比例值 这是现代撞击学的权威安德森和一些其它一些科学家共同总结出的估算穿甲弹穿击效能的公式。以上的只是初步公式，是在完全的理解环境下，具体的实际情况稍后详细介绍。 穿透深度是相对匀压制钢(RHA)的半无限目标板块来比较的。当穿杆植入到接近板块背面的深度时，板块的物质结构强度会下降，这样穿杆的最后一部分穿透相对早期的容易。当板块厚度达到了一个程度，穿杆不可能植入到能影响板块接近背部材料的强度的深度时，被称为半无限厚度板块。半无限厚度目标的厚度是针对试验的对象的。试验穿深100毫米的穿杆，几百毫米厚的板块就可以被看作半无限厚度了。而针对穿深1000毫米的穿杆，半无限厚度目标则必须有数米的厚度。 安德森公式明确地指出了影响穿甲弹穿深的几个最重要因素。设计成功的穿杆良好地融合这些要素，全方位地提高穿甲能力。 穿杆穿透的过程主要分为三个阶段。第一阶段，初期量变阶段(initialtran-sientphase)。穿杆撞击板块，形成弹坑，植入杆头。第二阶段，稳变阶段(quasisteady-statephase)。穿道形成，穿干在穿道中前进。这一阶段中，板块竭尽全力地抵御穿杆，降低穿杆头部的速度。穿杆尾部的速度于是高于头部，两个速度的差别令穿杆的首部不断融化，杆身长度不断减短。第三阶段，当穿杆融化到只有少量残余剩下时，它首尾的速度也就差不多了，这时的穿透过程被称为末端量变阶段(terminaltransientphase)。第一和第三个阶段的作用非常复杂，但这两个阶段占整个穿深过程的比例很小。比如长径比在20比1以上的1.5公里/秒的穿杆，90%以上的穿透过程都在第二阶段。当长径比增加到30比1时，第一和第三阶段只占整个穿透过程的5%以下了。所以对第一和第三阶段稳变以外的影响因素通常以附加量进行调整，暂按下不提。 穿击过程中，穿杆与装甲板块进行着不屈不挠的斗争。杆首与装甲的接触面不断融化。装甲的融化让穿杆形成穿道，而杆首的融化令穿杆的长度减少。当杆身被完全融化掉后穿击作用也就结束了。如果穿杆在没有被完全融化掉前穿透装甲，他赢。反过来，如果装甲在被完全穿透前融化掉穿杆的全部杆身，装甲胜。 1。穿杆的速度 穿杆的速度越高，撞击装甲受到抵御后杆首剩下的速度也越高。这样杆首和杆尾速度区别越小，杆身的融化也就越慢，穿深越大。 但必须注意，不同长径比的穿杆，速度的作用是不同的。长径比越大的穿杆，受到的减速越快，速度增加对穿深的提高没有小长径比的穿杆那么显著。但很明显，速度是重要的影响穿深的因素。对于现有的穿杆和火炮可以达到的速度，速度对穿深影响的比例为：速度*1.044 2。穿杆长度 同样的杆首耗损率下，杆身越长，维持穿透作用的时间也当然更长，穿深也就越大。但同时，穿杆的长度越大，穿透过程中受到摩擦的表面积也越大，穿透速度的减少也更急剧，对穿透有负面影响。 3。穿杆直径 压强相同的情况下，穿杆直径越大，作用面上的总体作用力越强。对装甲的破坏能力也越强。这是一个直线比例关系。安德森公式以6.4毫米直径为比较参照物，所以把穿杆直径被换算成比例系数S。 S=1+5%*(穿杆直径/6.4毫米) 穿透深度与这个直径的比例系数成正比。 但同时，穿杆的直径越大，穿透过程中受到的抵御面也就越大，速减越严重，消耗也越严重。安德森公式的意义就在于把增加直径的这一负面影响与增加穿杆长度的负面影响结合了起来，以长径比的方式进行表现 另外，直径与板块厚度的关系决定了真实情况(实际装甲板块的厚度非常有限)与理论数据(建立与半无限厚度目标的基础上)的区别。这一情况由 变正增加量的方式表示，后面再提。 4。穿杆长径比 安德森公式的意义在于把直径与长度对穿深的负面影响结合到了一起。增加穿杆的长度和减少穿杆的直径对提高穿深都有积极的正面作用，但长径比的增加又负面影响到穿透速度。 从上图可以看出，长径比的增加对穿透速度的影响是负面的。长期验证的结果说明，长径比对穿深的负面影响是0.194ln(L/D)的比例关系。更具体地说： 5。穿杆的材料。 穿杆的材料决定了穿杆的密度、强度、韧性等方面情况。材料密度不高，穿杆不能够聚集足够的动能。强度不足，穿杆不能有效地破坏装甲结够。韧性不强，穿杆容易被粉碎或折断，穿透能力当然也会大打折扣。另外，一些材料有独特的性质，对穿透效果也有影响。 先进的钨穿杆是液态混合制造的(liquidphasesintering)，一般含钨90%-97%，另外含有镍、铁一类的物质。制造这种钨穿杆，首先把各物质磨成细末按比例混合起来，压制成杆状。然后加热。由于铁、镍一类物质的融点低于钨，加热后它们会比钨的颗粒先融化掉。这些融化的液态金属流动、充实钨颗粒间的空隙，使得混合更加均匀。尔后，钨达到半融化或者融 化，但不能流动，与液态的铁、镍等形成金属矩阵。另外由于软化和重新凝结，钨颗粒的自身结构更紧密，密度也有所提高。凝固了的矩阵钨合金杆再被轧制，压得更细更长，这样结构更加紧密，强度和韧性也就更大。这种矩阵钨杆的材料比例系数在1左右。 美国152毫米的XM578、105毫米的M735和德国的DM-13是比较早期的采用液凝方式钨穿杆的穿甲弹。但当时的加工技术有限，不能够令钨杆达到需要的强度和韧性。这些性质达不到要求，穿杆撞击装甲就容易碎裂，而且在发射过程中承受五万多G的加速度，也可能出现碎裂。特别是长穿杆，构成物质的强度、硬度、韧性必须都达到要求。于是这些穿杆的钨杆外又加上了一层钢制的夹克。钢容易加工，可以达到要求，钢的夹克可以帮助降低夹克内相对脆弱的钨杆碎裂的机会。俄国的第一种钨杆穿弹，BM-42，也使用了这种夹克方式。由于钢的加入令整体的平均密度下降，另外钢夹克下的钨杆仍然不能达到理想的硬度和韧性，钢夹克钨杆的材料系数只能达到0.9上下。贫釉是制造穿杆的另一良好材料。贫釉加工容易，可以比较方便地达到强度、硬度等要求。它的密度与钨相似，更重要的是它的特殊分解方式。贫釉晶体的结构是层次性的，与石墨相似。受到压力后也按层次平面地分解。贫釉穿杆在撞击过程中杆头层次性地由外向内脱落，这样保持杆首尖细。相比下，钨合金杆头在穿击过程中向后卷曲，堆击成蘑菇状，穿透效果也就相对较低。贫釉穿杆的材料系数通常为1.2。 另一种钨杆制造方法是固态混合(solidphasesintering)。这种钨杆使用纯钨的粉末，压制成杆状后加温。然后通上强大的电流。粉末升温后会凝 结在一起，变成钨杆。但这种方式加工出的钨杆非常脆，只能做成钢穿杆头部的内芯。俄国早期的BM-12采用了这种钢+钨的穿杆，并不是真正的钨穿甲弹。固态混合的钨杆的头部在穿击过程分解成粉末，这样加大穿道壁的厚度，对之后的杆身穿入造成不利影响。所以这种钢+钨的穿杆的杆尾都必须比头部细很多。以BM-12为例，杆首直径是杆尾的两倍。由于质量不均匀，穿杆飞行过程中难以稳定，尾翼必须设计得比较大。这样又降低速度，对穿深形成另一不利影响。 现代的穿杆已不使用纯钢才。用安德森公式估计老式钢穿弹时很多数据必须改变。更好的办法是使用一条由安德森公式改进来的简易钢穿杆公式:0.52V-0.15ln(L/D)*S*M*L 安德森公式是针对半无限厚度目标的。在实际应用中，由于目标厚度有限，必须加入由背板作用令穿弹穿深的提高值(关于背板作用在后面的装甲部分再具体介绍)。这个增值与穿杆的直径密切关系，对于现代的长穿杆，垂直穿透(0度)的情况下是1.3D。增加值与1/COS(撞击角度)成正比。例如，60度撞击时，1/COS=2，背板作用增加穿透能力的增值就是2.6D。 另外，杆首的造型影响到斜面产生的弹坑和穿透过程中造成的通道的形状和表面形态，也就影响着杆身的植入。下表列出几种穿杆采用椎体杆头相对采用圆杆头穿击能力的比例。但杆首造型的影响在整个穿透深度中占的比例不大。更详细地论述杆头造型的影响必须结合装甲的斜面，此为后话。 弹种APAPDS一代APFSDS二代APFSDS三代APFSDS 长径比装甲厚度3:14.5:110:120:130:1 薄装甲1.031.021.001.001.0 间隙装甲1.331.191.091.041.025 中厚度装甲1.41.221.111.051.03 半无限装甲1.461.261.131.061.04 所以综合起来，实际应用中计算穿透能力的简易公式是：？ 穿深=1.044*(穿杆撞击时的速度)0.194*ln(穿杆长度/穿杆直径)0.209*(穿杆长度)*(穿杆直径比例系数)*(穿杆材料系数)+1.3*(穿杆直径)*1/COS(撞击角度) 甲与弹（2） （第2部分装甲） 一，常见的装甲材料 1。钢材 钢是最普遍的装甲材料。钢材的种类非常多，但只有极少数的几种适于用作装甲制造。这主要和钢材的硬度有关。另外还需要考虑强度(最佳强度在1.0GPa左右)、韧性(最佳韧性比例在10%左右)等一系列因素。 硬度单位是BHN(BrinellHardnessNumber) 装甲采用的钢材可以被分成三类： 1。匀轧制钢(RHA，又被称作ArmorSteel装甲钢)一般特指RC27钢板(4340钢)匀轧制钢的硬度在250到390BHN之间，铸造或轧制的厚装甲通常用它制造。评价一种材料防御性能时通常与匀轧制钢相比较。 2。准高硬度钢(SHS：SemiHardnessSteel)硬度在400到450BHN之间。准高硬度钢的焊接比较困难，一般被用在复合装甲的模块层次中(例如挑战者2的乔巴母主模块)以数十毫米的厚度分块焊接上去。 3。高硬度钢(HHS：HighHardnessSteel)硬度在500到600BHN之间。高硬度钢的焊接非常困难，通常轧制成许多薄的板块，然后与其它硬度的钢板重叠再用螺钉固定到主装甲板上。莱克莱尔坦克和豹2都使用了此类的设计，重叠250BHN、430BHN和515BHN三种硬度的钢板。 钢甲种类硬度T72系列出口型270BHN俄国高镍铸造钢390BHNM1系列HY120钢350BHN准高硬度钢450BHN高硬度钢600BHN北约多种硬度重叠模块防御效能比例(相对匀轧制钢)90%92%112%118%114%120%125%130%134%150%160% 硬度越高的板块抵御穿击的能力也越强。但同种物质，硬度增加，相应的韧性也就减少，板块也就更容易碎裂。板块碎裂后抗拒穿击的能力也当然减弱。所以好的装甲钢材必须在具有高的硬度的同时具有良好的韧性，这样才能维持其表面的硬度，延长高效抵御穿击的时间。 钢材种类的有效防御能力也可以理解成“有效厚度比例”。以上表为例，比如M1系列基甲采用的HY(highyield)-120钢材，与匀轧制钢甲的有效厚度比例是1.14这也就是说100毫米厚的HY-120钢板的防御水平相当于114毫米的匀制钢板。 值得注意，同样厚度的多硬度重叠模块的防御能力是普通轧制均匀钢材的1.5倍(三硬度模块接近1.6倍)。这里有两个因素。一方面，多种硬度钢板的平均硬度大于匀轧制钢板，提高防御性能18%左右。另一方面，多层次不同硬度板块重叠的特别几何搭配令整体的平均韧性有所提高，这样维持高硬度的能力增强，又使防御效能再增加25%。 2。轻材料 铝也是一种良好的装甲材料，特别是用在轻装甲车上防御定向爆破和碎片。铝的密度只是钢的30%左右，所以铝制的装甲可以轻而厚。 先进的铝合金主要有5千、6千和7千系列三种。各型号的铝材区别于调配的比例。5083铝是当代大多装甲车采用的材料(M2M3M113LTVP7等)，密度是2.66克/立方厘米(匀轧制钢为7.83克/立方厘米)。也就是说，5083铝的装甲只有同厚度匀轧制钢装甲1/3的重量。虽然它的有效厚度只是匀轧制钢的40%，但从重量和防御效能的比例看仍然是突出的。AMX-10、蝎子、武士和BMP3使用的则是与7075铝相似的材料。这些高标号的铝材更轻、硬度更大。但同时韧性降低，更脆。它们的效厚度比例通常接近匀轧制钢的60%。 除了合金调配外，铝材还可以改变几何造型来提高有效厚度。例如蜂窝形构造的高级铝合金装甲，其有效厚度可以达到匀轧制钢的70%。铝合金在装甲中的使用不仅仅是以纯制板块的形式。比如英国早期的乔巴母装甲中铝合金的线条和其他材料如玻璃钢、陶瓷的线条错综组合。受到破甲弹打击时，这些不同方向的线条令破甲弹的射流分数并改变方向，降低其穿击能力。 但铝有一个很大的缺点。容易燃烧，在受到打击后燃烧生烟可以使成员窒息。与铝相比，钛当然是更理想的轻金属。钛的比重是4.5克/立方厘米，而它的有效厚度则在匀轧制钢的90%上下。但钛的价格高昂，是匀轧制钢的两倍以上，所以即使M1系列和俄国的BDD装甲也只在很小的几个局部采用了钛合金。 其它的轻装甲材料还有玻璃纤维、高温塑料等等。这些材料主要是和其它材料组合，起到加大结构密度、增强物质间连接的作用。比如俄国的坦克装甲中大量使用了一种叫Stektexolite的玻璃纤维，它对穿甲弹的防御能力与铝合金相似，而比重只是匀轧制钢的1/5，比铝更轻。又比如M1系列采用凯夫拉材料(Kevlar)，比Stekexolite还轻。虽然对短长径比的早期穿甲弹作用不如后者，但对长穿杆的防御作用是同一水平的。德国的装甲车设计中采用的有机材料叫Dyneema，它的比重比克沃拉还更小，防护能力当然也更弱些。 二，陶瓷和复合装甲 硬度、韧性、密度这些都是影响装甲防御能力的因素，但它们又互相制约。对于同种材料，增强某一方面势必降低另一方面的性能。比如增强硬度会造成韧性的降低。为了能够具有各方面的优秀性能，用多种材料组合成复合装甲是一个比较常见的办法。这样各种材料各抒其职，不同材料的不同优异性能互相搭配组合，整个复合模块可以在各方面达到要求。 1。陶瓷及陶瓷-金属复合装甲 陶瓷是现在使用最广泛的特种装甲材料。陶瓷材料(最普通的是铝的氧化物，例如AL2O3)的比重只是匀轧制钢的一半，而硬度可以达到其4倍！陶 瓷抵御穿甲弹的能力稍低于匀轧制钢，但抵御破甲弹的能力是匀轧制钢的两倍。乔八母模块大量地使用了陶瓷材料，所以装配它们的坦克如挑战者和M1的防破远高于防穿。当然有例外。试验证明爆破部含有DU和钨合金的特种破甲弹受陶瓷材料的影响比较小，通常来看，陶瓷材料对抗这类破甲弹的有效厚度与匀轧制钢甲相当。 陶瓷材料也有缺点，比如它的机械强度低。这样抵御冲击波的能力不好，容易碎裂。碎裂会使陶瓷板块防御穿甲弹的能力降低超过20%。另外，由于机械强度低也不能用在有骨架作用的基甲上。这样陶瓷材料必须与其它金属材料组成复合模块，降低了整个装甲模块的防御能力与重量的比例。此外，陶瓷材料也不便宜。其价格与钛合金相当，远远高出了匀轧制钢。 解决陶瓷材料机械强度方面缺点的一个途经是把陶瓷板块装置在金属板块焊接成的密体内。陶瓷装甲被撞击时，其表面破裂成远大于穿杆直径的椭圆形创口。将陶瓷材料压缩在钢制容器里，碎片被迫重新向创口集中。这样增加对穿击物的压强，提高抵御能力。 下表列出B4C陶瓷由几种不同密闭方式组成的复合装甲相对匀轧制钢的有效厚度比例。 抗拒20:1的穿杆;1500米/秒1700米/秒相对无限制设置防御水平提高比例 无限制0.90-0.910.97-0.99 匀轧制钢四面封闭0.96-0.9960.997-1.02%-9% 匀轧制钢六面封闭1.05-1.071.06-1.088%-17% 高硬度钢六面封闭1.03-1.131.13-1.2914%-30% 值得注意的是，以上数据中防御水平的提高不仅仅来自封闭密体对碎片的挤压作用。不同密度板块的层次重叠亦对加强防御能力有良好的影响 陶瓷金属比例陶瓷/金属种类1:31:13:1 Pyrex/RHA0.580.870.89Pyrex是一种玻璃装物质，T-72A一类坦克装甲使用 Pyrex/钨1.061.121.16钨、DU一类重金属设置在陶瓷板下可以大幅度提高抵抗能力 Pyrex/铝0.460.60.78 石英/SHS0.620.580.5T-64坦克的装甲中含有“Kvarts”实际上是一种人工石英 AIN/RHA0.961.060.97AluminumNitrideCeramic AD-85/RHA0.960.990.89AD-85是指含85%氧化铝的陶瓷 AD-97/RHA1.01.030.96同上，AD-97则是指氧化铝含量为97%的陶瓷 AD-99/RHA1.041.08 AD-99/SHS1.081.15采用高硬度钢材基甲可以稍微提高陶瓷装甲的防御能力 SiC/RHA0.961.021.02炭硅化合物，为东欧一些装甲所采用，比如南联的M84 B4C/RHA0.930.910.87T64B和其它一些俄制坦克装甲中采用相似材料 UO2-87/RHA1.041.62.0陶瓷性二氧化铀模块，含87%二氧化铀 UO2-100/RHA1.221.82.34高纯度二氧化铀陶瓷模块 上表列出一些陶瓷与金属的复合装甲相对匀轧制钢的有效厚度比例，撞击物是1700米/秒左右速度飞行的20:1长杆。可以看出，不同的陶瓷材料在防御性能上的区别是巨大的。二氧化铀陶瓷的性能最佳，且陶瓷中UO2的比例越大，防能力越强。挑战者2和M1A2SEP都采用了含有UO2的Dorchester装甲，它们的防御水平相对同系列的其它型号有显著的提高。 再次强调，上面的数据不是陶瓷部份的防御性能，而是复合装甲整体的防御性能。陶瓷-钢复合装甲中陶瓷板块自身的有效厚度通常在0.75到0.97之间。另外，上表系按复合装甲中陶瓷与金属模块厚度的比例列出的三组数据。复合装甲中不同材料板块的重叠提高各板块本身的防御能力。此为后话，暂按下不表。 陶瓷复合装甲的更大优势在于防破。下表列出两种陶瓷复合装甲对抗破甲弹的有效厚度(相对匀轧制钢)，也按复合装甲中陶瓷与金属的厚度比例分成三组。可以看出，陶瓷复合装甲抗拒破甲弹的能力可以达到同样厚度匀轧制钢甲的1.5倍以上，而其整体比重却相对低。配以良好的防穿能力，陶瓷技术已经成为了现代装甲设计必须采用的手段。 1:31:13:1 石英/RHA 对抗2:1间距破甲弹1.261.381.44 对抗6:1间距破甲弹1.321.791.65 AD-92/RHA 对抗2:1间距破甲弹1.31.81.62 对抗6:1间距破甲弹1.221.651.72 2，高密度垫置及DU(贫铀)与WHA(钨重合金)的应用装甲材料的重叠方式密切影响着防御能力。不同材料的板块重叠时，比重大、密度高的材料需要放置在下层，而将密度小的材料如陶瓷、轻金属设置在更接近表面的层次中。如果反过来，密度低的材料设置在基层，则防御效能可以降低超过15%。 这样做主要是针对动能穿弹，必须从穿击原理来看。当同样的穿杆穿透不同密度物质时运动的速度不同。插入到密度高的目标时，目标分子间的互相联系更强，穿透的速度也就低。 不同密度的材料重合时，穿杆首先撞击表面的底密度材料，穿透速度较高。但它穿击底层的高密度物质的速度低许多。有趣的是，两个层次间穿击速度的区别并不是在接触面上突然改变的，而是在上层的低密度物质中逐渐减速到下层高密度物质的低穿透速度。深入解释这一现像要从量子物理入手。下层的高密度物质造成穿杆在穿透上层低密度物质时一些概率的改变。但也可以看作是高密度物质把它的一些特性“传递”到了上层的低密度物质中。 对于同样的上层材料，下层材料的密度越大，综合防御能力也越高。例如将同种陶瓷板块分别设置在铝合金和匀轧制钢的板块上，后种组合中陶瓷部份的防御能力远远高出前者。 不同密度板块垫置相对RHA钢板垫置的效益比由(垫置物质密度/RHA钢板密度)*(垫置物质被穿透的厚度/RHA钢垫置被穿透的厚度)决定。其中垫置物质被穿透的厚度是指在表面没有陶瓷材料的情况下垫置的高密度板块被同样穿杆打击后被穿透的厚度。这里以三种材料为例。铝合金、匀制钢和钨合金。三种垫置材料被1750米/秒的4:1的钨杆穿击的厚度分别为82.5mm，36.0mm和20.6mm。它们的密度分别为2.7，7.85和18.82克/立方厘米。套入上面的公式，得到的铝和钨相对匀压制钢对陶瓷