榴弹的结构特点分析

在上一节里，分别讨论了榴弹的侵彻作用、爆破作用、杀伤作用和燃烧作用。对于不同的目标，往往采用不同的弹种和作用机理。弹种和作用机理的不同，又必然带来弹丸在结构上的差别。这些差别主要反映在弹丸结构的几个特征数上：弹丸相对质量cm，炸药装填系数α，弹体壁厚δ和炸药相对质量cω。对榴弹的大量统计表明，上述特征数大致在表3-6所给出数据范围内变化。

表3-6　榴弹结构特征数值

为便于说明问题，首先介绍榴弹的外部形状和内部形状，以使读者对榴弹全貌有一个概略认识。随后，再分别对地面榴弹和高射榴弹的结构特点做一简略说明。

图3-12　榴弹的外形尺寸

（1）榴弹的外部形状

形状是通过尺寸来描述的。图3-12给出了榴弹的外形尺寸。这些尺寸对弹丸的飞行特性和威力都有直接的影响。图中各尺寸符号的意义：d为弹丸直径（弹径），L为弹丸全长，h为弹体头部长度，H为弹头部长度，β为弹头部母线与圆柱部的连接角，A为圆柱部长度，E为弹尾部长度，hy为弹尾圆柱部长度，hk为弹尾圆锥部长度，αk为尾锥倾角。

在上述尺寸中，弹径d、弹丸全长L、弹头部长度H、圆柱部长度A及弹尾部长度E是决定弹丸结构布局的基本尺寸，而其他尺寸则进一步描述了弹丸的外形特点。

弹丸全长L是在已知弹丸质量后确定的。它直接影响着弹丸所受的阻力、飞行稳定性、威力和弹体的强度。在弹径一定的情况下，增大弹丸长度，即增大弹体的长径比，对减小弹丸所受的空气阻力有利。对普通旋转弹丸来说，其最大长径比一般不超过5.5倍弹径。从威力上考虑，弹长增大，有利于弹丸威力的提高。但从发射强度上看，当弹丸质量一定时，弹丸长度增大，势必引起弹体壁厚的减小，使强度降低。此外，弹丸长度还影响着弹丸的工艺性、运输和装填条件等。这也是在确定弹丸长度时所应当考虑的。

弹头部的形状与尺寸对迎面空气阻力有着直接影响。在超音速情况下，头部波阻占总阻的很大部分。弹头部长度越大、形状越尖锐，其阻力值就越小。因此，增大弹头部长度可使弹形系数i降低。但是，当弹头部过分增长时，其弹形系数的变化并不显著。从弹丸在膛内的运动情况来看，当弹丸长度一定时，弹头部长度增大必将使圆柱部长度减小，这将恶化弹丸在膛内的定心性能，从而影响弹丸的飞行稳定性和射击精度。对普通榴弹来说，弹头部长度一般不超过3.5倍弹径。在不同初速下，弹头部长度的经验值见表3-7。

当弹丸采用弹头引信时，弹丸顶部的形状将由引信外形决定。一般来说，在超声速情况下，尖锐形弹顶可以减小阻力；而在亚声速情况下，弹顶的形状影响不大。不过，在弹丸章动角较大时，在尖锐弹顶的侧面将出现涡流，因而应尽量避免尖锐形顶部。实际上，为了加工和勤务处理上的方便，常将弹顶制作成小圆顶或不大的小平顶。圆顶或平顶的尺寸可按下列经验值选取（图3-13）。

图3-13　弹顶形状

表3-7　具有最小阻力的弹头部长度

续表

当v0≤600 m/s时，圆角r=（0.07～0.08）d或平顶2r=0.15 d。

当v0＞600 m/s时，对于大口径，圆角r=5 mm或平顶2r=5～10 mm。

弹头部是一旋成体，其旋成体母线既可以是直线、圆弧、抛物线、椭圆线和指数曲线等，也可以是这些曲线的组合。从空气动力学的观点来看，在不同的速度下，将有不同的最有利的母线形状。该旋成体母线既可以同圆柱段母线平滑相切，也可以在连接处具有一不大的折转角。

圆柱部长度A，是指上定心部至弹带之间的距离。在一般情况下，它为弹丸在膛内的导引部长度。该尺寸的大小，对弹丸在膛内的运动有着决定性的影响。圆柱部长，弹丸定心情况就好，可以减小弹丸出炮口时的章动角，从而使射击精度提高。此外，圆柱部越长，弹丸内装药量就越多，弹丸的威力也就越大。但是，从空气动力学观点看，圆柱部增长，弹丸所受的摩擦阻力增加；圆柱部过短，也将因初始章动角的增大而导致阻力的增加。因而，在一定的射击条件下，有一使空气阻力最小的圆柱部长度。一般来说，榴弹的圆柱部长度大致为1.1～3.0d。

弹带一般用紫铜制成，嵌在弹体的弹带槽里。目前广泛采用的弹带槽有矩形弹带槽和燕尾形弹带槽两种形式（图3-14）。为使弹带固定牢固，避免出现弹带与弹体之间的滑动，一般在弹带槽的底部压有滚花，以增加摩擦力。

图3-14　弹带槽形式

（a）矩形弹带槽；（b）燕尾形弹带槽

图3-15　弹带形状

1—药筒支撑面；2—后斜面；3—前斜面。

弹带的形状多种多样，但为了使弹带容易嵌入膛线，对弹丸起到良好的定心作用并使弹丸减小飞行中的阻力，故常把弹带的前端面做成与弹轴成14°～40°的斜面。为了存留嵌入坡膛时挤下的积铜，常把后端面做成与弹轴成45°的斜面或倒成圆角。对于定装式炮弹还必须在弹带后面留下一小平面，以便支住药筒口（图3-15）。弹带的宽度取决于其强度条件。常见的弹带宽度：小口径为10 mm，中口径为15 mm，大口径为25 mm。如果强度不够，则可以将弹带做成2条，甚至3条。为了解决弹带的闭气问题，其直径应比火炮口径微大。该值被称为弹带强制量。

最简单的弹尾部形状是圆柱形。虽然这种形状加工起来简单、容易，但是其尾部阻力较大。一般来说，最好的弹尾部形状应当是适于弹尾空气环流形状的船尾形，因为这种形状可以减小尾部的涡流阻力。由于空气流线的形状与弹速有关，因而在不同速度下最好的船尾部尺寸也不相同（表3-8）。

表3-8　弹尾部形状及尺寸

由表3-8可知，当初速较小（v0＜300 m/s）时，虽然弹尾部的形状和尺寸对整个弹丸所受的空气阻力有较大的意义，但由于阻力的绝对值较小，故可采用最简单的圆柱形外形；而当初速较高（v0＞900 m/s）时，也将采用圆柱形尾部。这是因为在高速情况下，弹丸所受的空气阻力中波动阻力所占的分量较大，而且依靠改变尾部形状来减小底部阻力也无多大效果，因而仍然采用简单的圆柱形尾部。

对于定装式弹药，为了保证弹丸与药筒的连接可靠，弹丸的弹尾圆柱部长度至少应有0.25～0.50d，有时还需在弹尾圆柱部加工1～2个紧口沟槽。

此外，在进行配弹设计时，为了采用制式发射药，在确定弹尾部尺寸时还必须考虑到使其保持原来的装填密度。

（2）榴弹的内部形状

图3-16描述了弹丸的内部（内腔）尺寸。其中各符号的意义：Lk为内腔长度，Hk为内腔弧形部长度，ρk为内腔弧形部母线半径，αk与bk为母线半径的中心坐标，hkk为内腔锥部长度，dB为内腔圆柱部直径，hB为平均弹壁厚度（一般按圆柱处的壁厚计算），dD为内腔底部直径，hD为底部厚度。

图3-16　榴弹的内部尺寸

在弹丸外部尺寸已经确定的条件下，内腔的形状与尺寸决定了弹丸的炸药装药量以及弹丸的质量和质量分布，因此，也就影响着弹丸的膛内运动和在空气中的飞行特性。此外，内腔尺寸也决定了弹体的壁厚和底厚，所以也影响着弹丸的发射强度。一般来说，榴弹的内腔形状有圆柱形（带有不大的锥度）或锥形、柱形或弧形的组合形式。

从弹丸威力考虑，以爆破作用为主的榴弹应当多装炸药，为此必须加大内腔的容积。而为了保证其发射强度，常常从等强度壁厚的角度去确定内腔形状。以杀伤作用为主的榴弹，为了产生更多的杀伤破片，其内腔形状常常从等壁厚角度去确定。从弹丸在膛内的运动条件考虑，弹丸的质量中心应当尽可能位于弹带处。从加工工艺性考虑，弹丸的内腔形状应当与炸药的装填方法相适应。例如，以压装法为主的小口径榴弹，其内腔形状常做成柱形。为了便于机械加工，在内腔中应尽量避免阶梯形突变，而且在线段衔接处采用圆弧过渡。

榴弹的壁厚与威力密切相关，不同类型的榴弹，其壁厚不同。因而，常用壁厚作为表征弹丸结构的一个特征数。爆破榴弹的壁厚完全取决于发射强度。为使炸药量增加，常在保证发射强度的前提下选取最小壁厚。在发射时，由于弹底的受力最大，因而底部也最厚，而其他部位则按等强度原则向头部方向逐渐减薄，其平均厚度大致为1/8～1/10d。杀伤榴弹的壁厚选取，除应保证发射强度外，还应得到最好的破片性能。因此，壁厚的选取应与弹体材料和炸药性能相匹配。一般来说，炸药的猛度高，或弹体的材料较脆，壁厚应当厚些；反之，壁厚应薄些。通常，杀伤榴弹的平均壁厚为1/4～1/6d。杀伤爆破榴弹的壁厚常在爆破和杀伤榴弹之间选取，一般为1/5～1/8d。

（3）地面榴弹的结构特点

①爆破榴弹。爆破榴弹的主要用途是破坏土木结构的野战工事（如指挥所和观察所）、钢丝网和布雷区；有时也和混凝土破坏弹共同使用，对永久性工事进行摧毁；必要时也可对有生力量或坦克、步兵战车等目标进行射击。

爆破榴弹的特点是炸药量多，且炸药的猛度大。一般来说，爆破弹只有配备在大口径火炮上才能发挥较大的作用。

图3-17　爆破榴弹

（a）近程爆破榴弹；（b）远程爆破榴弹

图3-17给出了几种爆破榴弹的示意图。其中图3-17（a）是近程爆破榴弹，而图3-17（b）则是远程爆破榴弹。对近程爆破榴弹来说，其头部一般较短，为1.3～1.7d，圆柱部较长，有的可达3.2 d。为了获得较大的炸药装填并保证发射强度，一般将弹带设置在弹底附近。这种结构的弹丸不可能获得较远的射程。对远程爆破榴弹来说，其头部一般较长（约为2.6 d），圆柱部较短（约为1.3 d），弹尾部也较长。可见，远程爆破榴弹的射程增加是靠牺牲威力而得到的。

为便于装填炸药，弹体结构有头螺式、底螺式和整体式3种类型。对于头螺式爆破榴弹，必须注意保证碰击强度。对于底螺式爆破榴弹，必须注意密封，绝对保证发射时的安全。爆破榴弹的弹体材料，一般均采用合金钢并进行热处理。

配用于爆破榴弹上的引信，一般具有2种或3种装定。只有当爆破弹代替杀伤弹使用时，才用瞬时装定。弹底引信多在大口径榴弹上使用，有时为了保证大口径爆破榴弹的完全爆炸和不失效，会同时采用弹头和弹底两种引信。

为了提高爆破榴弹的威力，增加弹丸质量是有效的，但对旋转稳定弹丸来说，则要受到飞行稳定性的限制。虽然尾翼稳定不受此限制，但弹丸的射击精度将会下降。

由于爆破榴弹只有直接命中目标才能有效地发挥其威力，因此要求其密集度较高。对大口径爆破榴弹来说，要求其Ex/X=1/300～1/250。目前，在国内外的地面榴弹中，单纯的爆破榴弹已不多见，一般都具有杀伤和爆破两种作用。(www.xing528.com)

②杀伤榴弹。杀伤榴弹主要用来杀伤暴露的和轻型掩体内的有生力量及器材，也用来在布雷区和铁丝网区开辟道路，以及破坏轻型野战工事，必要时也可对坦克、步兵战车等目标进行射击。

杀伤和破坏这类目标，主要依靠弹丸爆炸后形成的破片。使目标失去战斗力的破片通常被称为杀伤破片。为了达到良好的杀伤效果，既要求杀伤破片多，又要求杀伤面积大，因而在结构上杀伤榴弹的弹壁较厚。

由于杀伤榴弹不需要直接命中目标就可获得良好的杀伤效果，因而对杀伤榴弹的密集度要求可略低于爆破榴弹，即Ex/X=1/190～1/120。

一般杀伤榴弹均为钢质弹体，装填TNT或B炸药，配用瞬发、短延期和近炸引信。

图3-18所示是配用于57 mm反坦克炮的杀伤榴弹示意图。该炮虽已被淘汰，但该弹在结构上有其特点。

图3-18　57mm杀伤榴弹

该弹在设计上的着眼点是杀伤威力。由于其射程要求不高，故该弹在外形上采用棒状，弹头部很短并呈截锥形，圆柱部和弹尾部较长（伸入药筒较长）；其内腔为直圆柱形。这种结构的弹壁较厚，弹丸质量也大，因此可提高杀伤威力。该弹由于采用等壁厚弹体，且形状简单，加之采用柱形TNT块状装药，因而便于生产。

图3-19所示是85 mm杀伤榴弹示意图。该弹的主要诸元见表3-9。该弹在设计上综合考虑了射程及威力要求。

表3-9　85 mm杀伤榴弹主要诸元

③杀伤爆破榴弹。杀伤爆破榴弹是介于上述两弹种之间的弹种。它同时具有杀伤和爆破两种作用。虽然从威力上看，这种弹的爆破作用不如同口径的爆破弹，杀伤作用不如同口径的杀伤弹，但是，它综合了两种作用，并具有简化生产和供应的优点，故已广泛配用于中口径以上的火炮上。

对于杀伤爆破榴弹来说，同时获得大的爆破效果和大的杀伤效果是不可能的，只能针对给定的口径和战斗任务保证其主要方面的实现。在一般情况下，小口径杀伤爆破榴弹是以杀伤作用为主、爆破作用为辅；而大口径杀伤爆破榴弹则是以爆破作用为主、杀伤作用为辅。

一般来说，杀伤爆破榴弹的弹体厚度比同口径的杀伤榴弹薄、比爆破榴弹厚；装药比同口径的杀伤榴弹多、比爆破榴弹少。其密集度要求为Ex/X=1/200～1/170。杀伤爆破榴弹的弹体材料一般为钢质，装填TNT或B炸药。为了对付不同的目标，杀伤爆破榴弹一般配用具有瞬发、短延期和延期装定的弹头着发引信。

图3-20所示是122 mm杀伤爆破榴弹示意图。该弹主要用于杀伤敌人的有生力量，破坏敌人的野战工事，压制敌人的炮兵，以及在雷区开辟道路等。该弹的主要诸元见表3-10。

图3-19　85mm杀伤榴弹

1—引信；2—炸药；3—弹体；4—弹带。

图3-20　122 mm杀伤爆破榴弹

1—引信；2—炸药；3—弹体；4—弹带。

表3-10　122 mm杀伤爆破榴弹主要诸元

为了减小空气阻力，该弹的弹头部母线采用了抛物线形，其头部高度约为3.2 d。

该弹采用了两条弹带，以满足强度要求。此外，在后面的弹带上尚有一凸起部。采用这种结构是为了提高火炮的寿命。一般弹带是通过前斜面与炮膛起始部接触进行定位的。而火炮膛线的起始部最容易被高温火药气体烧蚀，从而引起弹丸装填定位的不准确，致使药室容积增大、初速减小。带有凸起部的弹带则通过凸起与坡膛接触而定位，从而提高火炮的寿命（图3-21）。

图3-22所示是100 mm滑膛炮杀伤爆破榴弹示意图。该弹的主要诸元见表3-11。

图3-21　带有凸起部的两条弹带结构

表3-11　100mm滑膛炮杀伤爆破榴弹主要诸元

图3-22　100 mm滑膛炮杀伤爆破榴弹

1—引信；2—战斗部；3—弹带；4—活塞；5—尾翼座；6—销轴；7—曳光管。

由于该弹配用于滑膛炮，故只能采用尾翼稳定方式。该弹采用了气缸式张开尾翼结构。尾翼在膛内是收拢的，出炮口以后在气室内的火药气体压力作用下，推动活塞，使尾翼张开。活塞上有两个小孔，膛内火药气体经这两个小气孔进入气室。活塞后部装有曳光管，用以观察弹道。尾翼上铣有单面斜角，供弹丸在弹道上产生低速旋转，以改善其密集度。

这种尾翼结构的优点是翼片张开迅速，同时性好，但其结构比较复杂，尾翼张开时有较大的冲击力。为了密闭火药气体，该弹在弹底处配有弹带。

（4）高射榴弹的结构特点

高射榴弹主要用于毁伤敌方的飞机、导弹等空中目标。这类目标的特点是飞行速度快。一般来说，对这类目标进行射击，小口径高射榴弹靠直接命中，中、大口径高射榴弹靠弹丸破片。为了提高高射榴弹毁伤目标的机会，常要求高射炮反应快、射速高、威力大。这是因为目标飞过高射炮对空射界的时间很短，只有提高射速才能在有限的时间内发射更多的炮弹，以增加毁伤机会。此外，还要求高射榴弹的初速高。这是因为提高初速可以增加射高，减少弹丸在空中的飞行时间。射高增加，必然提高弹丸的射击范围。减少弹丸命中目标的飞行时间，必然提高弹丸的直接命中率。一般来说，对运动目标进行射击，在瞄准时总应瞄准目标的前方，即有一个提前量。弹丸速度低，飞行时间长，提前量也大，命中目标的可能性就小。

①37 mm高射榴弹。一般高射榴弹的引信都有自炸机构，以免落在自己的阵地上造成伤亡。图3-23所示是37mm高射榴弹。该弹的主要诸元见表3-12。

图3-23　37 mm高射榴弹

表3-12　37 mm高射榴弹主要诸元

为了保证弹丸与药筒结合后不松动，该弹在弹体上设有两条滚口槽，其拔弹力大于7　848N。在一般情况下，小口径弹丸的弹带均采用环形毛坯，收压在弹带槽中。该弹带槽无燕尾，是一个直槽。

该弹丸内装钝黑铝炸药，其成分为80%钝化黑索今和20%铝粉。这种炸药威力较大，且有一定的燃烧作用。

②100 mm高射榴弹。图3-24所示是100 mm高射榴弹。该弹的主要诸元见表3-13。

表3-13　100mm高射榴弹主要诸元

100 mm高射榴弹是利用时间引信在预定的空间爆炸，产生大量的破片，形成一个杀伤空域，使在这个空域中的目标遭到毁伤。这种方式增加了命中目标的机会。该弹在炸药底部装有烟火强化剂，目的是便于观察炸点。

由于100 mm高射炮的初速大、膛压高，所以火炮寿命受到影响的问题较为严重。为了提高火炮寿命，在弹带上同样采用了凸起结构。但是，这个凸起不是放在后面，而是设置在前面的弹带上。这是考虑弹体与药筒连接上的需要而确定的（图3-25）。

图3-24　100mm高射榴弹

1—引信；2—驻销；3—炸药；4—弹体；5—定心轴；6—弹带；7—支撑弹带；8—烟火强化剂。

图3-25　凸起弹带结构的作用

1—支撑弹带；2—药筒；3—凸起部。

该弹是利用破片来毁伤空中目标的，因为毁伤飞机等所需要的破片动能要比杀伤人员大得多（一般需要980～1　962　J），因而弹丸的壁厚较大，使得破片质量增加。