新型材料技術(shù)在彈托上的應(yīng)用*

湯子鑫 林國(guó)寶 孫思浩 林煒庭

(總裝備部南京軍事代表局駐福州地區(qū)軍事代表室 福州 350003)

?

新型材料技術(shù)在彈托上的應(yīng)用*

湯子鑫 林國(guó)寶 孫思浩 林煒庭

(總裝備部南京軍事代表局駐福州地區(qū)軍事代表室 福州 350003)

隨著裝甲防護(hù)技術(shù)的迅速發(fā)展,世界各發(fā)達(dá)國(guó)家都在致力于提高大口徑桿式脫殼穿甲彈的穿甲威力。從理論上分析,作為影響穿甲威力的因素之一,彈托的重量屬于消極重量,因此在不影響指標(biāo)要求的情況下,選用何種材料的彈托,減輕其質(zhì)量成為一條重要途徑。

新型材料; 彈托; 應(yīng)用

Class Number G254

1 引言

隨著裝甲防護(hù)技術(shù)的迅速發(fā)展,世界各發(fā)達(dá)國(guó)家都在致力于提高大口徑桿式脫殼穿甲彈的穿甲威力。從理論上分析,作為影響穿甲威力的因素之一,彈托的重量屬于消極重量,因此在不影響指標(biāo)要求的情況下,選用何種材料的彈托,減輕其質(zhì)量成為一條重要途徑。

2 彈托的主要作用

彈托是組成彈丸的重要部件之一,其主要作用有三個(gè): 1) 定位作用,保證彈丸在炮膛內(nèi)正常運(yùn)行; 2) 閉氣作用,保證彈丸在炮膛內(nèi)運(yùn)行過(guò)程中發(fā)射藥氣體不泄漏,使發(fā)射藥氣體的能量得以充分發(fā)揮; 3) 導(dǎo)轉(zhuǎn)作用,使彈丸在炮口獲得一定的轉(zhuǎn)速,以提高彈丸的彈道飛行穩(wěn)定性。

3 彈托的指標(biāo)要求

1) 在保證彈托足夠強(qiáng)度和剛度條件下,盡量減輕彈托的消極質(zhì)量,以最大限度地提高彈丸炮口動(dòng)能。

2) 彈托在彈膛內(nèi)應(yīng)具有良好閉氣性,正確地引導(dǎo)彈丸在膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)。

3) 彈托在出炮口后,應(yīng)脫殼迅速、一致性好,以減少脫殼對(duì)彈體運(yùn)動(dòng)的干擾。

4 彈托的主要材料

早期的彈托均采用紫銅、銅合金、純鐵、鋁及其合金等金屬材料制造。隨著兵器工業(yè)和化學(xué)工業(yè)的不斷發(fā)展,各種武器裝備性能的提高,從某種程度上來(lái)講,金屬材料的彈托已經(jīng)不能夠滿足現(xiàn)代化武器裝備的需要。國(guó)內(nèi)外相繼開(kāi)展了塑料塑料彈

托的研究,塑料彈托成為世界各工業(yè)先進(jìn)國(guó)家用于各種新型炮彈的一項(xiàng)高新技術(shù),特別是20世紀(jì)70年代以來(lái),這項(xiàng)高新技術(shù)在各種新式炮彈上得到了廣泛應(yīng)用,使得常規(guī)武器炮彈的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)性能有了飛躍發(fā)展。塑料彈托并不是機(jī)械地簡(jiǎn)單代替金屬?gòu)棊Ш蛷椡?而是利用了全新的結(jié)構(gòu)、材料和技術(shù),它涉及到內(nèi)彈道學(xué)、外彈道學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)、彈丸設(shè)計(jì)理論、強(qiáng)度理論、摩擦理論、工程塑料配方設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、測(cè)試、優(yōu)化設(shè)計(jì)等一體化系統(tǒng)工程理論,是一個(gè)綜合性較強(qiáng)的科學(xué)領(lǐng)域,使得彈托的作用與概念煥然一新。

5 新材料技術(shù)在彈托上的應(yīng)用

彈托材料技術(shù)是采用輕質(zhì)材料和適當(dāng)?shù)墓に囍圃鞆椡?使其在膛內(nèi)承受高加速負(fù)荷與短時(shí)間的高應(yīng)力,在炮口能可靠而且迅速地與彈芯分離的技術(shù)。彈托通過(guò)結(jié)合槽或齒與彈芯連為一體,是次口徑脫殼穿甲彈不可缺少的部件。它必須保證炮彈在膛內(nèi)安全運(yùn)行,把發(fā)射要燃燒氣體的高加速動(dòng)能傳遞給彈芯,在炮膛脫離炮口的瞬間與彈芯分離,從而使彈芯能帶動(dòng)足夠的能量以高速精度攻擊目標(biāo)。彈托在彈上是消極質(zhì)量,為了保證或提高彈芯的初速、飛行精度以及侵徹能量,要求彈托的質(zhì)量盡可能小。國(guó)內(nèi)外研究了大量的質(zhì)量小、負(fù)荷高的新型彈托材料,如聚丙烯、環(huán)氧、聚酯改性的聚酰胺6及彈性體改性的聚酰胺6等樹(shù)脂材料,纏繞成彈托形成彈托的玻璃纖維和熱解石墨等具有高抗拉強(qiáng)度的長(zhǎng)纖維材料,碳纖維增強(qiáng)熱塑性塑料與玻璃纖維增強(qiáng)尼龍等纖維增強(qiáng)材料,聚合物復(fù)合材料以及纖維增強(qiáng)材料上等離子噴涂鋁基合金等。

5.1 輕質(zhì)材料技術(shù)在彈托上的應(yīng)用

彈托采用輕質(zhì)材料技術(shù)可以減輕穿甲彈的消極質(zhì)量,從而提高彈芯的初速、飛行精度以及侵徹能量。例如AZ91鎂基合金或者玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧取代鋁合金制造一種試驗(yàn)穿甲彈的彈托,可以減輕彈托質(zhì)量約30%,減少試驗(yàn)彈的質(zhì)量15%～20%。

5.1.1 鎂基合金

由某研究所利用鎂基合金制造的彈托安裝到直徑8mm、長(zhǎng)150mm、質(zhì)量140g的重金屬試驗(yàn)彈芯上制成試驗(yàn)彈,然后在炮彈中發(fā)射該試驗(yàn)彈進(jìn)行加速試驗(yàn),火炮以50Gpa以上膛壓發(fā)射試驗(yàn)彈,將其加速到106m/s以上。在離炮口大約1.5m處拍攝X射線照片,試驗(yàn)結(jié)果表明,AZ91鎂基合金對(duì)應(yīng)變速率敏感,具有較強(qiáng)的壓縮強(qiáng)度,可承受高壓應(yīng)力和高加速負(fù)荷。與試驗(yàn)鋁合金彈托相比,減少?gòu)椡匈|(zhì)量大約30%,減少試驗(yàn)彈的質(zhì)量15%～20%。

5.1.2 纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料

采用玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料由與主應(yīng)力水平取向的E-玻璃纖維粗砂與環(huán)氧制造彈托,環(huán)氧含量為35%(質(zhì)量)或50%(體積)。該材料的力學(xué)性能是:密度2.0g/cm3,抗壓強(qiáng)度900MPa,抗拉強(qiáng)度900MPa,彈性模量36GPa,破壞應(yīng)變小于2%。動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)表明,該材料在試驗(yàn)的纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料中具有最高的壓縮強(qiáng)度,最低的破壞應(yīng)變。

國(guó)外,利用多個(gè)多層纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料單元制造坦克炮射尾翼穩(wěn)定脫殼穿甲彈彈托,具有提高彈托性能、生產(chǎn)成本最低的優(yōu)點(diǎn)。例如一種扇形彈托組件的材料結(jié)構(gòu)是用多個(gè)六層(O、O、+α、-α、O、O)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料單元制成的復(fù)合結(jié)構(gòu)。在六層材料單元中,O表示增強(qiáng)纖維與彈托縱軸平行取向的方式分布,+α表示增強(qiáng)纖維與彈托縱軸成任意正角的取向方式分布,-α表示增強(qiáng)纖維與彈托縱軸成任意負(fù)角的取向方式分布。與用傳統(tǒng)四層(O、+45、-45、O)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料單元制造的扇形彈托組件相比,上述六層材料單元扇形彈托也具有較高的強(qiáng)度和剛性,減少質(zhì)量20%。

5.2 形狀記憶合金在彈托中的應(yīng)用

彈托在炮口能否可靠并迅速地分離,直接影響彈芯的射擊精度與威力。傳統(tǒng)的次口徑脫殼穿甲彈依靠空氣進(jìn)入彈托前端氣口產(chǎn)生的氣動(dòng)力使彈托與彈芯分離,可靠性較差。國(guó)外在研究的彈托中利用鎳鈦形狀記憶合金分離墊片,較好地解決了彈托分離問(wèn)題。由于不靠氣動(dòng)力分離彈托,在每個(gè)彈托卡瓣的前端可加工去除部分材料,從而降低了彈托的質(zhì)量。分離墊片安裝到三個(gè)卡瓣側(cè)壁之間以及卡瓣之間以及卡瓣與彈芯之間的多個(gè)位置處。當(dāng)炮彈離開(kāi)炮口的瞬間,分離墊片因在炮膛內(nèi)被加熱到變相溫度以上,從而馬氏體相轉(zhuǎn)變成奧氏體相,使其在馬氏體相下的變形態(tài)恢復(fù)到原來(lái)的形態(tài),從而同時(shí)側(cè)向和徑向產(chǎn)生大的推力,使彈托與彈芯分離。

6 新型材料技術(shù)在彈托上發(fā)展的展望

彈托材料的應(yīng)用和研究應(yīng)以輕質(zhì)為重點(diǎn),盡量選用強(qiáng)度高,韌性好的材料。雖然現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外在彈托材料技術(shù)上取得了很大的進(jìn)步,但是在現(xiàn)如今材料技術(shù)迅速發(fā)展的今天仍有還大的發(fā)展空間,以下是筆者自己對(duì)新材料技術(shù)在彈托上應(yīng)用的一點(diǎn)遐想。

6.1 納米/微米復(fù)合技術(shù)

高分子納米基復(fù)合材料是很有發(fā)展前途的重要復(fù)合材料,具有質(zhì)地輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕、設(shè)計(jì)和成型自由等特點(diǎn),并且有不同的基料和填料經(jīng)過(guò)合理的搭配可以得到不同的效果,所以它在彈托上的應(yīng)用發(fā)展空間極為廣大。

6.2 新型無(wú)機(jī)非金屬材料

陶瓷的共同弱點(diǎn)是“脆”,加之它們都經(jīng)受不住急劇加熱和急劇冷卻的考驗(yàn),所以長(zhǎng)期以來(lái),陶瓷的用途受到了很大的限制。由于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,陶瓷的生產(chǎn)技術(shù)取得了重大突破,科學(xué)家們利用高純度的天然無(wú)機(jī)物及人工合成的無(wú)機(jī)化合物,采用多種技術(shù)先進(jìn)的制造工藝,研制出許多種具有硬度高、密度低(重量輕)、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損等超常性能的新型陶瓷。這些新型陶瓷的優(yōu)良特性是金屬材料及高分子材料無(wú)法比擬的,所以新型無(wú)機(jī)非金屬材料在未來(lái)彈托上的應(yīng)用發(fā)展空間也是極為廣大的。

[1] 陳光,崔崇,徐峰,等.新材料概論[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2013.

[2] 許春香.材料制備新技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2010.

[3] 鄭子樵.新材料概論[M].長(zhǎng)沙:中南大學(xué)出版社,2009.

[4] 李鳳生.納米/微米復(fù)合技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2002.

[5] 劉鳴放,劉勝新.金屬材料力學(xué)性能手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

[6] 譚毅.新材料概論[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2004.

[7] 趙程.機(jī)械工程材料[M].北京:機(jī)工工程出版社,2011.

[8] 黃新躍,胡本潤(rùn),陳新文,等.航空材料的力學(xué)行為[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2012.

Application of New Materials Technology in the Sabot

TANG Zixin LI Guobao SUN Sihao LIN Weiting

(General Equipment Department’s Military Representative Office at Fuzhou, Fuzhou 350003)

With the rapid development of armor protection, all the developed countries devote themselves to enhancing the ability of APDS which is equipped with large-caliber rod. According to the theoretical analysis, regarding as one of the elements concerning influencing the ability of armor piercing, the weight of sabot belongs to the negative weight. In the case of not affecting the index demand, the wise and significant way is to choose which materials and decrease its quality.

new materials, sabot, application

2014年9月4日,

2014年10月27日

湯子鑫,男,助理工程師,研究方向:彈藥。

G254

10.3969/j.issn1672-9730.2015.03.043