【陆军】现代穿甲弹原理简介

一年前我发表了《现代坦克装甲原理简介》，照理说就应该也讨论穿甲弹的原理。但是我找不到任何有关共军的最新所谓“三期弹”技术的公开资料，所以就搁著，希望未来会有所发现。现在忽然决定写这篇文章，倒不是因爲发现了相关的新资料，而是由于《观察者网》的军事评论员席亚洲的一篇文章（参见《尾翼稳定脱壳穿甲弹不会跳弹？CCTV居然来打脸了》，https://user.guancha.cn/main/content?id=32309 ）讨论了这个问题，却有明显的谬误，所以在此提供我的所知。

席亚洲对军事很有热情，一般也愿意追根究底，把议题的来龙去脉搞清楚。我很喜欢读他的文章，尤其是他和共军内部人员有交往，也经常閲读日本的军迷文献，所以是很好的中方和日方消息来源。但是他文章写得多了，难免会有对共军朋友的隻字片语做出误解的案例。上个月他在一篇文章中说15式坦克的105毫米炮与共军其它105毫米坦克炮的弹药不能通用，显然违反常理，就应该是一个这样的例子；这次似乎也是如此。言归正传，现代的穿甲弹都是“次口径”弹药（Sub-Projectile），也就是弹丸本身直径比发射炮的口径小得多。我在前文《谈超音速弹丸》里已经解释过，这是爲了减小超音速飞行时的阻力：一根细长尖锐的铅笔形状，是Mach 5时阻力最小的外形。我多次提过的APFSDS（Armor Piercing 穿甲，Fin Stabilized翼稳， Discarding Sabot脱壳），早已与HEAT（High Explosive Anti-Tank）破甲弹并列爲各国坦克的标准配备。APFSDS最早是二战前的法国军工人员发明的，当时还没有尾翼，只叫做APDS。1940年，德军闪电战在六周内击垮法国，APDS还没有定型，项目人员随即逃往英国，继续他们的研究，一直到1944年初才量产，主要配备给英军的6磅炮和17磅炮。其中的后者是英军在二战后期最重要的反坦克炮，能够在1500米外击穿Tiger的正面装甲，APDS居功甚伟。英军还把17磅炮硬是装上了美国援助的Sherman（必须特别修改，并且倒转90°，才装得进Sherman的炮塔），成爲所谓Firefly（萤火虫坦克，这是因爲17磅炮的炮口火焰极爲明亮，远处看来像萤火虫）。在冷战期间，APDS从二战期间的多种穿甲弹设计脱颖而出（Pun Intended，亦即这里的一语双关是有意的），逐步把其它的穿甲弹种淘汰掉。由于新的主战坦克的交战距离，由二战时的1500米渐渐延长到4000米，而次口径弹丸的长径比高，自旋稳定的效果不佳，不能保证4000米射程时的精度，于是加上了尾翼，变成了纯靠翼稳的APFSDS。既然无须自旋稳定，那么膛綫就徒然增加内弹道阻力、减低炮管寿命，因此苏联首先改用滑膛坦克炮，其他各国随即跟进，只有英军固守成规，仍然沿用膛綫坦克炮至今。另一个受SPFSDS影响的，是炮口制退器（Muzzle Brake）：不论研究人员如何努力，炮口制退器总是会影响弹托在出了炮口后的分离过程，从而降低射击精度。因此在APFSDS普及之后，坦克炮的制退器就全被取消了。与此同时，APFSDS的材质也从原本的钢进化到钨或者贫铀（Depleted Uranium，DU）。我常常看到中文军事论坛有评论说DU穿甲弹遗留在战场上有严重的放射性毒害，只有全没良心的美帝才会大量装备使用，其实这是没有科学常识的胡扯。贫铀的半衰期极长、放射性极低，除非被成块吞食，否则没有显著高于天然背景的放射性危险。贫铀的毒性主要来自化学方面，但是比起铅来，铀的化学毒性还稍低一点；既然铅在军民各种应用极多，那么只对贫铀歇斯底里，就不太理性。中、俄、英、法、德等国宁可用钨而不用贫铀的真正原因，有些是因爲没有稳定廉价的来源（如德国），有些则是因爲贫铀的晶体结构不稳定，十年左右就必须翻新，所以只适合财大气粗并且穷兵黩武（在保证期内就会用掉）的军队。前面的讨论似乎暗示著贫铀应用在APFSDS的性能要优于钨，然而事实上这个比较是很複杂的。这两种金属的密度差不多，但是钨的强度要远高于贫铀，所以使用后者的APFSDS长径比不能超过30，否则容易折断，而理论上长径比越高、穿甲性能就越好。但是贫铀有一个特性叫做Frangibility（和前面所提的晶体结构不稳定有关），在应力作用下会自行碎裂成锐利的破片，所以一般被中文媒体称爲自锐效应。相对的，钨弹丸在高速碰撞之后会形成蘑菇头，结果穿甲的有效直径会大幅增加。既然打的洞变宽了，消耗了额外的能量，穿甲深度就受影响。总体来说，APFSDS用钨或者贫铀的理论穿甲极限，大致是相当的，但是贫铀弹的最佳穿甲速度（太高容易折断，太低则容易跳弹，而且能量也低）在Mach 5左右，而钨弹的最佳速度则在Mach 6。目前世界最先进的120毫米和125毫米坦克炮发射10千克级别的APFSDS弹丸，初速在Mach 5和6之间。我在前文《谈超音速弹丸》中提过，M829的速度衰减率是每公里Mach 0.3，最新的APFSDS长径比更高，阻力更小，所以衰减率也更低，大约在每公里Mach 0.25左右。那么在4000米的射程上，终端速度就在Mach 4和5之间。这对贫铀弹不成问题，但是对钨弹来说，就太低了。正因爲美军是唯一大量装备了贫铀穿甲弹的军队，所以对进一步提高坦克炮的初速特别没有热情。M1A1和M1A2用的都是1980年代从德国引进的Rheinmetall 120毫米炮，但是德国的Leopard 2坦克在2000年代从L/44（即炮管长径比为44）升级到L/55，从而把初速增加了Mach 0.5，而美国人却不觉得有需要。后来Rheinmetall设计了全新的130毫米炮，有更高的初速和炮口动能（号称动能增加50%），共军也试验了140毫米炮，美军仍然不动如山，主要就是因爲贫铀弹所需的速度低于钨弹（次要原因是M829A3和A4有其他优于德製弹药的特点，参见下文）。国军现在正计划引进M1A1或M1A2，那么不但装甲极可能会是简配版（即取消贫铀装甲板），如果得不到M829A2（我的印象是连日本也没买到M829A2；A3和A4则被美国国会明文禁止出口），穿甲能力也要大打折扣，结果只怕连共军的经济型96A式坦克都能轻鬆击猴版的M1。

由左至右分别是美国陆军的M1A2，美国海军陆战队的M1A1，和国军可能获得的M1版本

现实中，德国最新锐的DM53和DM63（基本和DM53相同，只是换用了对温度不敏感的发射药）APFSDS弹丸，即使由长管120毫米炮发射，顶多也只能和美军1990年代就装备的M829A2相提并论。M829A2虽然还没有解密，毕竟服役了20多年，有关的公开资料还是足够的。它的核心是一段贫铀长杆，直径22毫米，长度约680毫米。长杆后方是标准的尾翼和曳光药，外围是用很轻的合成材料（碳纤维？）製成的Sabot（弹托）（这是从M829A1进化到M829A2的最大改进，我个人猜测足以使炮口初速增加到接近Mach 5），前方则沿用一个尖锐的气动外罩用来减低外弹道阻力；这是因爲贫铀长杆本身必须是钝头的，以减低弹著点的侧向应力。席亚洲的分析就错在这里：他说M829A3和共军的“三期弹”都取消了气动外罩，改用新的尖锐弹头，是中美独有的秘方（原文是“如何解决这个容易跳弹的问题，又增加穿杆长度，那是目前只有中美两国在最新型穿甲弹上用了的技术”）。其实中美的APFSDS设计原理完全不同（部分是因爲装甲的设计原理也不同，参见前文《现代坦克装甲原理简介》），所以虽然我对“三期弹”一无所知，但是仍然可以确定中美的实心弹尖（如果“三期弹”真的改用了实心弹尖）只是外表相似，其设计细节和考虑都必然不同，不能混爲一谈。

M829系列的全家福；E4仍然在严格保密之下，美军不愿意展示剖视图，可能是因爲新的Spigot Mortar机制会被很明显地看出

要瞭解这些论点，我们首先检视M829A3和E4的进化过程。它们和A2的主要差别，在于弹芯以及弹托增长了大约110毫米；由于Rheinmetall的120毫米炮采用一体式装药，弹丸总长达到800毫米（这还不含尾翼）并不成问题。贫铀长杆本身的直径已知是增加到25毫米，弹尖改爲实心也是被公开确认的事实，但是如果假设整个790+毫米的长杆都是贫铀弹芯，就明显地违反了事实和逻辑。这是因爲如果整个长杆都是贫铀，那么它的体积和质量就比A2增加了51%，再加上弹托的增长和增重，弹丸的整体质量必须大幅增加（大约40%），装药容积却减少，即使改用能量密度更高的发射药（没听说，但并非不可能），既然炮管没换，最大膛压就不能变，那么弹丸初速必然会降到Mach 4或更低。如此一来，穿甲能力大幅降低，完全不合逻辑。事实上，厂方宣称弹丸总重增加11%，而穿甲深度增加5%，所以显然弹芯不全是贫铀。美国陆军一再强调，M829A3和E4的设计主旨，在于击败新型的俄製ERA（Explosive Reactive Armor，爆炸式反应装甲，参见前文《现代坦克装甲原理简介》），例如Kontakt 5，Relikt（用在T90）和Malachit（装备在Armata坦克上）。它们对长杆穿甲弹芯施加比以往更强的侧向切力，所以贫铀弹芯的长径比不再能像以往一样达到30。A3的贫铀弹芯直径从22毫米增加到25毫米，就是爲此，所以长度当然不应该随著增加。而且美军APFSDS弹芯的长度，原本就不是限制穿甲深度的因素（这是和共军弹丸的一个明显对比，参见下文）；那么爲什么研发单位（ARL，Army Research Laboratory，美国陆军研究实验室）硬是把它拉长了110+毫米呢？我觉得远远最可能的解释，是美军在670毫米长的贫铀弹芯（670-680毫米似乎是贫铀弹芯的最优长度，所以M829A1和A2都采用了多年）前面，加了一段110-120毫米长的钢芯。这段钢芯的用途，在于引爆ERA，吸收它的侧向切力。因爲钢芯和贫铀长杆之间，没有刚性的连接，所以后者可以不受影响地沿原弹道方向侵切主装甲。既然这段钢芯不是要击穿主装甲用的，那么自然不需要考虑跳弹现象，也就不在乎是锐头还是钝头，可以直接取消气动外罩。钢的密度只有铀的42%，所以总重的增加并不多。至于M829E4，消息更含糊，但是据传增加了电子元件，那么我个人猜测极可能是在钢芯和贫铀长杆之间加装了微量炸药，利用Spigot Mortar（细杆迫击炮）的原理，由电子定时装置在接近目标的时候，提早引爆，把钢芯向正前方发射出去。如此一来，钢芯比贫铀长杆提前几十或上百毫米抵达弹著点，不但能更安全地引爆ERA，连主动防御系统（Armata已装备，共军也有原型公开示范，目前的反应速度对APFSDS还不构成威胁，但是将来有可能改进）也有可以绕过的潜力。

Spigot Mortar原理示意图

至于共军的APFSDS，和美军的有两个很大的差别，除了用的是钨弹芯之外，共军的125毫米坦克炮使用俄式的两截式弹药，所以弹芯总长无法超过大约600毫米（含尾翼，新式俄製钨弹芯长555毫米）。目前已知这是共军穿甲弹性能进一步提升的最大限制因素（钨弹芯的最优长度远大于600毫米，例如DM63钨弹芯总长为685毫米+60毫米尾翼）。再加上美国的M1系列并没有采用ERA，所以牺牲宝贵的弹芯总长，来加装美式的钢芯前端，完全不合理。我已经一再声明，我对共军的“三期弹”一无所知，但是从基本原理来推测，共军的穿甲弹，在不增加口径、也不改爲一体化弹药的前提下，要再提升性能，必须从减小钨弹芯的蘑菇头来著手。可能的手段主要是1）改用Frangible的新型钨基合金或纤维质材料，或者2）改为多层结构。以上两者都不能解释爲什么弹头尖端会被改为实心，然而我们可以确定的是，它不可能是出于与美军穿甲弹相同的考虑。