尾翼稳定超速穿甲弹的脱壳性能优化

（1）概述

由于尾翼稳定超速脱壳穿甲弹的弹长不受飞行稳定性的限制，一般把它做得很长（有的甚至达到25～30倍飞行弹径），因而常把这种弹称为长杆式尾翼稳定脱壳穿甲弹，或简称为杆式穿甲弹，如图4-32所示。

图4-32　尾翼稳定超速脱壳穿甲弹结构

杆式穿甲弹首先是苏联于20世纪60年代初研制成功，并正式装备的。主要有115 mm和125mm两种杆式穿甲弹，并分别装备在T-62坦克的115mm和T-72坦克的125mm滑膛炮上。

杆式穿甲弹一经问世，立即引起世界各国的普遍重视。一贯主张以动能穿甲作为其主战坦克火炮配用弹的英国和美国，都立即研究这种新式的动能穿甲弹，而且美国还首先把这种长杆式尾翼稳定脱壳穿甲弹配用于线膛火炮上。法国一向在其主战坦克上只配用破甲弹而不配用动能穿甲弹，也一反常态积极发展这种杆式穿甲弹。由此不难看出杆式穿甲弹在当前反坦克弹药中所处的重要地位。现在，杆式穿甲弹已被世界各国公认为是当前最有效的反坦克弹种之一。表4-4为国外部分杆式穿甲弹性能。

表4-4　国外长杆式尾翼稳定脱壳穿甲弹性能数据

续表

从杆式穿甲弹的发展现状看，目前存在着滑膛炮发射的和线膛炮发射的两种杆式穿甲弹。虽然这两种杆式穿甲弹配用的火炮类型不同，但它们的稳定方式相同（均以尾翼稳定），结构也大致相仿，都是由飞行弹体和弹托两大部分组成的。

由于杆式穿甲弹采用尾翼稳定，所以其弹长不受飞行稳定性的限制，飞行弹体的长径比（弹长与飞行弹体直径之比）可达13～30，甚至更大。这是旋转稳定弹丸所无法比拟的。因此，杆式穿甲弹可以获得更大的断面密度，从而提高了穿甲威力。

一般来说，在同口径情况下，杆式穿甲弹要比其他弹种轻得多，因而可以获得很高的初速。目前，杆式穿甲弹的初速一般为1 400～1 800m/s，是所有火炮弹丸中的佼佼者。弹丸初速的这种大幅度变化，必然大大提高飞行弹体的动能，从而使威力进一步提高。弹丸初速的提高，不仅使威力增加，而且缩短了弹丸的飞行时间，从而提高了命中概率。

（2）结构组成

尾翼稳定超速脱壳穿甲弹由弹丸和装药部分组成；弹丸由飞行部分和脱落部分组成；飞行部分一般由风帽、穿甲头部、弹体、尾翼、曳光管等组成；脱落部分一般由弹托、弹带、密封件、紧固件等组成；装药部分一般由发射药、药筒、点传火管、尾翼药包（筒）、缓蚀衬里、紧塞具等组成。其典型结构如图4-33所示。

①飞行部分。弹丸出炮口后，飞行部分与脱落部分分离，即脱壳，飞行部分飞向目标。

图4-33　尾翼稳定超速脱壳穿甲弹的典型结构

1—弹丸；2—尾翼药包；3—紧塞具；4—药筒；5—缓蚀衬里；6—点传火管；7—发射药；8—密封圈；9—风帽尖；10—穿甲块；11—前定心部；12—马鞍部小径；13—马鞍部大径；14—后定心部；15—尾锥；16—尾翼；17—后内定心部；18—后紧固环；19—后腔；20—密封件；21—外弹带；22—内弹带；23—马鞍形弹托；24—前腔；25—前紧固环；26—前内定心部；27—弹体；28—风帽体。

弹体：弹体是穿甲作用的主体，是一个关键零件。其材料的性能及结构决定了穿甲弹的穿甲能力。目前常使用穿甲能力强的高密度、高强度钨合金或贫铀合金材料，其长径比的大小决定其穿甲能力。弹体中间的环形槽或锯齿形螺纹是与弹托啮合的部分，通过环形槽将弹托在炮膛内所受火药燃气的推力传递给飞行部分。为了使传递的推力均匀分布，环形槽的加工精度要求非常高，如要求任意两个环形槽间的距离公差为±0.045mm，只有使用高精度的数控车床或加工中心才能完成。弹体两端的螺纹分别连接风帽和尾翼，螺纹尾端的锥体部分起定心作用，保证风帽、尾翼和弹体的同轴度。弹体的前端和尾部的几个环形槽处是在炮膛内发射时经常遭到破坏的部位，在正常情况下前端受压应力，尾部受拉应力，但是在弹体直径较小时，前端往往由于压杆失稳而被破坏，尾部往往由于产生横向摆动而被折断，所以整个弹体的刚度设计是非常重要的。

风帽和穿甲头部：位于弹体前端和风帽内的穿甲块是穿甲头部，在穿甲过程中穿甲块有防止弹体过早碎裂的作用。穿甲块头部对付间隙装甲（如图4-34所示的北约重型三层靶板）、复合装甲是有利的。穿甲块的大小和个数，可根据弹体的直径和对付的目标来确定，穿甲块的材料多采用与弹体相同的材料。目前也经常使用半球形头部，即将弹体的前端车制成半球形，用其来对付均质装甲板是有利的。还有锥形、截锥形等多种形式的头部。这些不同的头部虽然说对付一些特定目标最有利，但在穿甲弹的威力足够大时，仍然可有效对付其他装甲目标。

图4-34　北约重型三层靶板（模拟重型坦克）

风帽的作用是优化弹体头部的气动外形，减小飞行阻力。风帽的外形多采用锥形、3/4指数形或抛物线形等。为减少风帽对穿甲的干扰，多采用铝合金材料。

尾翼：尾翼起飞行稳定作用，在穿甲过程中其对穿甲的贡献甚小，所以目前一般使用铝合金材料，而早期使用钢尾翼。尾翼是决定全弹气动外形好坏的关键零件，为了减少空气阻力，一般采用大后掠角、小展弦比、削尖翼型的6个或5个薄翼片。随弹丸速度的增加，后掠角也增大，一般取65°～75°。设计的翼片厚度为2mm左右，展弦比为0.75左右。削尖的翼形结构，一是为了减少激波阻力；二是使用不对称的斜切角，在外弹道上为飞行部分提供导转力矩，使飞行部分在全外弹道上都具有最佳的平衡转速。

铝尾翼较钢尾翼具有优越性：尾翼质量大幅度减少，有利于解决弹丸尾部的发射强度；由于尾翼质量减少，飞行部分的质心前移，所以有助于提高飞行稳定性，或者说在稳定储备量不变的情况下可减小翼片的面积，从而减小飞行阻力；便于机械或压力加工，提高加工效率；有利于提高穿甲威力，在穿甲过程中，尾翼所占有的动能只有一小部分得到利用，在弹坑的口部被捋掉，在捋掉时不仅损失了尾翼本身的动能，而且为克服连接强度也消耗了弹体的动能，而铝尾翼重量轻，连接强度低，使得这两种能耗降低，所以有利于穿甲。

右旋线膛炮发射的尾翼稳定脱壳穿甲弹，在炮口具有一定的右旋转速，在外弹道上也应当设计成右旋平衡转速。在膛内尾翼由弹体带动旋转，而在膛外则由尾翼提供导转力矩，带动弹体旋转。传统上尾翼螺纹一般设计成左螺纹，在膛内越旋越紧，而在膛外则越旋越松，所以时而出现在外弹道上掉尾翼的现象。实际上，在膛内尾翼的轴向惯性力在螺纹斜面上产生一个很大的正压力，这一正压力将产生一个比弹体对尾翼的导转力矩大得多的摩擦力矩，所以设计成右旋螺纹，以使尾翼在膛内不会松动，而在外弹道上则有越旋越紧的趋势。100mm及105mm线膛坦克炮发射的尾翼稳定脱壳穿甲弹均设计成右螺纹，大批量生产与使用表明，完全避免了在外弹道上旋掉尾翼的现象。

②脱落部分。脱落部分在炮口附近与飞行部分分离，在一定的区域内落地。脱落部分所具有的动能无助于穿甲，所以其质量被称为消极质量。尽量减少脱落部分的质量有助于提高穿甲威力。

弹托：弹托是尾翼稳定脱壳穿甲弹的又一个关键零件，它占脱落部分95%以上的质量。所以尽量减少其质量是结构改进和优化的目标。尾翼稳定脱壳穿甲弹能否实现迅速和顺利脱壳，取决于对弹托的设计。脱壳方式一般分为单纯空气动力脱壳型和火药燃气后效与空气动力共同脱壳型两种方式。单纯空气动力脱壳型多用于滑膛炮发射的尾翼稳定脱壳穿甲弹，弹托为双锥形，弹托质量较小，脱壳干扰大，密集度不好。火药燃气后效与空气动力共同脱壳型，多用于线膛炮发射的尾翼稳定脱壳穿甲弹，弹托为马鞍形，目前滑膛炮发射的尾翼稳定脱壳穿甲弹也使用该结构，弹托质量较大，脱壳迅速而顺利，脱壳干扰小，密集度好。前者由弹托的前腔结构来实现脱壳；后者由弹托的后腔及前腔结构的共同作用来实现脱壳，具有炮口转速（如线膛炮发射）的尾翼稳定脱壳穿甲弹的脱壳还有离心力的作用。

目前典型弹托主要有马鞍形弹托、窄环形弹托、双锥形弹托和混合型弹托4种结构形式。马鞍形弹托如图4-35（a）所示，是目前广泛使用的弹托，采用了沿其纵轴均分为3个卡瓣的马鞍形结构，使用超硬铝合金材料；缺点是多瓣弹托间的抱紧力较小。目前新研制成功的密度小、强度高、质量更轻的复合材料弹托一般采用尾锥更长的马鞍形4个卡瓣的结构。在膛内发射时，弹托应具有可靠的强度；各卡瓣在火药燃气的作用下应彼此抱紧成为一个整体，能很好地支撑并导引飞行部分；弹托与密封件及弹带应配合恰当，可靠地密封火药气体。在膛外应脱壳迅速、顺利，对飞行部分的干扰小。

窄环形弹托如图4-35（b）所示，弹托由合金钢制成，在其中间底上有斜孔。膛内火药气体由此冲出时，使弹丸低速旋转。弹托分为三瓣，平时借助周边的铜带固联为一体。铜带还起着密封火药气体与减小弹托与炮膛的摩擦和碰撞的作用。膛内导引靠弹托与尾翼的支持面来保证，这种弹托的缺点是膛内定心性差。双锥形弹托如图4-35（c）所示。这种弹托从腰部开始向前后伸出两个长的锥形体，闭气环位于腰部。由于尾部无定心表面，故在定心环前方还需要有一个延伸的定心表面，采取在前锥体上用蛊形结构解决。弹托后锥面上的高压火药气体产生很高的抱紧力，在抱紧力作用下，多瓣弹托自动夹紧，并抱紧弹体，同时起到密封火药气体的作用。混合型弹托如图4-35（d）所示，混合型弹托是在马鞍形结构的基础上，增加了一个后锥部分。它的前端有膛内解脱的塑料带；其腰部安置一个可相对滑转的塑料弹带，能传给弹托约15%的转速，以保证弹托出炮口后立即自动分离，使次口径弹体获得最佳飞行性能。弹托的后锥面包覆一个橡胶套，起密封火药气体的作用。弹托为铝质，其膛内导引性能好。

图4-35　有弹托的尾翼稳定脱壳穿甲弹

（a）马鞍形弹托；（b）窄环形弹托；（c）双锥形弹托；（d）混合型弹托

密封件：用于密封弹托与飞行部分及弹托各卡瓣间的间隙。其材料为橡胶，要求能可靠密封火药燃气，耐长储并具有一定的硬度和耐高、低温的性能。

弹带：密封弹丸与炮膛之间的间隙，防止火药燃气逸出。弹带密封效果的好坏对弹丸的密集度及发射强度有着至关重要的影响。若密封不好，火药燃气从一边高速逸出，致使该边火药燃气的压力大幅度下降（流速高压力低），而另一边的压力高，致使弹丸产生向压力低的一边摆动，则弹带在横向摆动的作用下逐渐密封漏气的一边，而另一边开始漏气，压力降低，因此，弹丸又摆回来，如此反复，弹带磨损加大，漏气更为严重，摆动幅度更大，这样将使弹丸的起始扰动增大而使密集度变坏，甚至横向摆动的增大，致使横向冲击力加大而使弹体或弹托尾部折断。

紧固环：紧固环的作用是将弹托的各瓣紧固在弹体上，使之成为一个整体。当弹丸出炮膛后，在其预先设计的断裂槽处应尽快断裂并留在弹托各瓣的紧固环槽内，以保证脱壳顺利并减少干扰。

（3）穿甲过程

杆式穿甲弹由于具有高初速、大长径比的特点，因而其侵彻威力远远超过其他动能穿甲弹。从弹丸对装甲板的破坏情况来看，一般认为，杆式穿甲弹属于“破碎穿甲”，即弹丸在穿甲过程中一方面破碎，另一方面穿甲。在这种情况下，破碎的弹体和装甲破片将沿弹坑壁面反向飞溅，并形成大于弹径的穿孔。图4-36所示为杆式穿甲弹在大着角下的穿甲情况。(www.xing528.com)

图4-36　大着角下的穿甲情况

1—钢甲；2—弹体残部；3—翻边；4—滑坡；5—尾翼碰痕；6—破碎弹体；7—塞子；8—鼓包；9—碰撞方向。

杆式穿甲弹的穿甲过程可以分为开坑、侵彻和冲塞3个阶段。开坑阶段是从弹丸着靶到开坑形成，此时弹丸的撞击速度最高，撞击所产生的压力可达104MPa。由于该压力已远远超过金属材料的强度极限，因而弹体和装甲金属发生破碎，并向抗力较小的一侧飞溅。弹体不断破碎，也不断飞溅，从而在装甲表面上形成一个口部不断扩大的坑。弹体进入坑内后，侵彻阶段开始。由于此时的撞击压力仍然很大，所以弹体还是边破碎，边飞溅。在这一阶段，装甲金属被不断侵入的弹体挤压，所以向侧面和表面方向以很高的速度运动，最后使表面和弹体之间的金属破裂、抛出，孔径增大。

当弹丸侵彻到一定深度后，在装甲背面出现鼓包。在侵彻阶段，由于装甲抗力方向的变化和弹丸的惯性运动，将有一个弹丸“转正”的现象出现。冲塞阶段是穿甲过程的后期，由于弹丸速度降低，弹丸不再破碎，装甲的抗力也越来越小，装甲背面的鼓包因惯性而继续增大。最后，在最薄弱处剪切下一个钢塞，残余弹体和碎片以剩余速度从装甲背面的孔中喷出。至此，杆式穿甲弹完成了全部穿甲过程。

由上述弹丸在开坑和侵彻阶段的运动情况可知，开始时弹丸的破碎部分向外飞溅，剩余弹体继续向前运动，完成开坑；进入侵彻阶段后，弹丸将向装甲板的外法线方向运动。这种飞溅和转正现象，正是杆式穿甲弹在大着角下不易跳飞的原因。

（4）结构实例

为了进一步说明问题，以下介绍两种杆式穿甲弹的结构。

①俄罗斯115mm长杆式穿甲弹。图4-37所示是俄罗斯115mm滑膛炮用长杆式穿甲弹的结构。该弹由飞行弹体和弹托两部分组成。

图4-37　俄罗斯115 mm长杆式穿甲弹的结构

飞行弹体部分包括弹杆、风帽、被帽、尾翼、曳光管和压螺等零件。其中，弹杆采用整体结构，用35铬镍钼合金钢制成。为了与弹托连接，在弹杆中部制有环行锯齿形槽。弹杆头部带有风帽和被帽，尾部用螺纹与尾翼连接。该弹的尾翼经精密铸造而成，除保证弹丸的飞行稳定性外，在膛内还起定心作用。曳光管用压螺固定于尾翼的内孔中。为保证尾管内外的压力平衡，在尾管上开有小孔。尾翼片为后掠形，在后掠部位铣有一定角度的斜面，以使弹丸在飞行中承受旋转力矩而旋转，从而提高弹丸的射击精度。

弹托部分包括3块呈120°的扇形卡瓣和闭气环（图4-38）。该弹的卡瓣是由钢材制成的。卡瓣内制有环行锯齿形凸起，装配时与弹杆上的齿槽啮合。每块卡瓣上都开有两个与弹轴成40°的漏气孔，以使弹托在膛内获得炮口脱壳所需要的转速。为了减轻卡瓣质量并便于气体动力脱壳，在卡瓣的前、后面均开有凹形环槽，在卡瓣前面的边缘上开有花瓣形的缺口。为了保证弹丸出炮口后使卡瓣与飞行弹体可靠分离，在对着3块卡瓣接缝处的闭气环上制有削弱槽。

发射时，膛内的火药气体一方面推动弹丸向前运动，另一方面从弹托的6个斜孔中喷出，从而使弹托旋转，并靠摩擦力的作用带动飞行弹体也做旋转运动。此时，在离心力作用下，弹托虽有解脱的趋势，但由于炮管的约束而仍然拖住飞行弹体，只是使闭气环加大磨损，为脱壳创造条件。

弹丸飞出炮口后，炮管的约束消失，离心力将起作用。此外，由于火药气体从炮管中高速喷出，并向侧方膨胀，此时作用于卡瓣后部环形槽上的火药气体压力将产生一个使卡瓣向侧方飞散的力。在中间弹道结束后，卡瓣前方将受到空气动力的作用，也将产生一个使卡瓣向侧方飞散的力。在以上诸因素的作用下，卡瓣挣断闭气环，与飞行弹体脱离，从而完成脱壳过程。从弹托与飞行弹体的啮合部位来看，该弹在设计思想上采用的是前张式脱壳结构，火药气体对弹壳的作用不大。

②以色列105mm长杆式穿甲弹。图4-39所示是以色列105mm线膛炮用长杆式穿甲弹的结构。同样，该弹也是由飞行弹体和弹托两部分组成的。

图4-38　环形弹托

图4-39　以色列105 mm长杆式穿甲弹的结构

飞行弹体部分包括弹杆、穿甲块（3块）、风帽、尾翼（6片）、曳光管等。其中，弹杆和穿甲块是用钨合金制成的。采用穿甲块的目的是控制弹丸在开坑阶段的破碎程度。在弹杆上制有27个锯形齿槽，以便与弹托相连接。在弹杆前后均制有螺纹，以便与风帽和尾管连接。该弹的尾翼是将翼片焊接在尾管上，而翼片采用的是铝合金材料。尾翼部分的重量轻，使飞行弹体的质心前移。在保证飞行稳定性的前提下，翼展和翼片的面积可以减小，这样有利于减小弹丸所受的阻力，减小火药气体在中间弹道对弹丸运动的干扰，使射击精度提高。

弹托部分包括3块呈120°的扇形卡瓣、滑动弹带（内弹带和外弹带）、三爪橡胶密封圈（图4-40）和前、后紧固环等。

该弹的卡瓣由铝合金制成，在每一块卡瓣上均开有两个小直孔，用来改善弹丸在发射时的受力状态。

为了解决线膛炮发射尾翼稳定弹丸的旋转速度问题，该弹采用了滑动弹带的结构。其中，内弹带胶粘在卡瓣上，外弹带与内弹带之间呈滑动摩擦状态。发射时，外弹带嵌入膛线，获得高的旋转速度，而卡瓣与飞行弹体在摩擦力的带动下只做低速旋转运动。

三爪橡胶密封圈，是为防止火药气体沿齿槽向前泄出而设置的。前、后紧固环是固定卡瓣用的，且为了便于脱壳，其上均开有削弱槽。

与俄罗斯115mm杆式穿甲弹不同，该弹的弹托呈马鞍形。虽然马鞍形弹托的前后定心部距离较短，但它避免了尾翼打膛现象的出现。实际上，这种马鞍形弹托要比环形弹托优越。

无论是环形弹托，还是马鞍形弹托，都存在脱壳后的卡瓣飞散问题。卡瓣的可能飞散区域如图4-41所示。在这个区域里可能造成自己部队的伤亡。这一问题是脱壳穿甲弹在使用中的主要缺陷。

图4-40　三爪橡胶密封圈

图4-41　弹托飞散危险区

由上所述不难看出：在杆式穿甲弹中，弹托是一个十分重要的部件。弹托的好坏直接影响着飞行弹体的性能和作用。为此，要求弹托：

一是具有足够的强度和刚度，并能保护细长的高密度弹杆完整地发射出去；

二是在满足强度的条件下，弹托的质量越轻越好；

三是在膛内能可靠密闭火药气体，并能正确引导弹丸沿炮管轴线运动；

四是弹丸出炮口后能顺利脱壳，并且对飞行弹体的干扰小；

五是与药筒的连接可靠，并能防止火药受潮；

六是生产工艺性良好。