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甲弹对抗”大解密:宿命冤家,坦克装甲与反装甲弹药的较量

  原标题:甲弹对抗”大解密:宿命冤家,坦克装甲与反装甲弹药的较量

  自第一次世界大战坦克投入战场开始,兵器设计师们一直致力于开发各种有效的反装甲武器。在反装甲弹药武器的发展史中,反坦克枪、反坦克炮、火箭筒、无后坐力炮、反坦克导弹等先后出场,上演了一幕幕“甲弹”对抗的活剧。

  坦克是一种集矛盾于一身的地面突击装备,传统上衡量坦克性能好坏主要是看火力、防护力和机动力的综合水平,现在还增加了一项——信息力。理想的坦克当然是“四力”都能达到最佳,但在实际设计时限于技术和装备使用等原因很难做到,因此坦克设计师们在实际设计中只能就其中的某一两项指标为主,兼顾其它指标。

  


  然而,坦克的强大突击能力,使自身成为众矢之的,各国都拼命研制反坦克武器来进行遏制,这也使得防护力的权重在坦克设计中变得越来越大。如果化繁为简来看坦克与反坦克武器的对抗史,则可以发现它们之间实质上是装甲与反装甲弹药的较量,即“甲弹对抗”。

  坦克诞生初期的甲弹对抗

  我们知道,坦克诞生的诱因是一战时期为了打破僵持不下的堑壕战。也就是说,坦克起家的本钱是机动性,即依靠内燃机动力,驱动履带碾过敌方阵地的堑壕和铁丝网,为后续冲击的步兵扫清最头疼的障碍,撕开突破口。如果坦克丧失了机动性,那么与固定堡垒其实没有什么两样。正因如此,一战时期的坦克大都有两条长长的履带(有些甚至是过顶履带),能够碾压堑壕和铁丝网,并用装备的轻型火炮和机枪打击敌方有生力量和火力点。

  至于装甲方面,一战时期的坦克要求并不高,只要能防住敌方的枪弹就行,所以当时的坦克使用的装甲并非专门研制的军品,而是民用工业制造锅炉的含碳量在1.7%左右的高碳钢板,厚度普遍只有6~16毫米(只有极少量的坦克装甲较厚,如法国在1917年秋开始生产的“雷诺”FT17坦克的正面装甲厚度达到了22毫米,德国在1917年秋开始生产的A7V型坦克正面装甲厚度达到了30毫米),而且在结构上还是清一色的铆接方式。

  1916年9月15日,当英军首次将Mark.I型“大游民”坦克投入到索姆河战场时,德军被这种隆隆作响,能够冲破带刺铁丝网、碾平掩体、喷吐火舌、不怕步枪和机枪子弹的怪物吓坏了,慌乱地丢弃阵地,纷纷逃跑。英军步兵在坦克的掩护下,在10千米宽的正面上分散攻击,5小时向前推进了5000米,这个战果以往要耗费几千吨炮弹、牺牲几万人才能取得。其中有1辆Mark.I坦克未放一枪就攻占了一个村庄;另有1辆Mark.I坦克夺取了一条堑壕,并俘虏了300多名德军士兵。

  


  坦克首次参战就取得了意外的胜利,使英国人受到极大鼓舞,而德国人却在考虑如何进行对抗。需要强调的是,由于一战期间只有德军面临坦克威胁,所以在当时的反坦克武器发展方面也是德军一枝独秀。

  1917年4月11日,德军在布里阔特的一次反击中缴获了2辆英军Mark.I型坦克,发现了装甲板是用的锅炉钢,于是德军最高统帅部迅速下令给每个德军步兵配发5发7.92毫米K型子弹,给每个机枪手配发一条满装K型子弹的弹链。

  K型子弹原是德军在1915年开始给机枪射手和狙击手配发的一种特殊型号子弹,采用重型碳化钨弹芯,比普通子弹要重,其主要用途是用于对远距离目标和带有防护的目标进行精确瞄准射击。K型子弹的加工非常精细,弹丸的重量与发射药的重量严格匹配,这就使得所有K型子弹都具有相同的初速和弹道,并且在远距离具有较好的射击精度。K型子弹在100米距离上可以穿透12毫米锅炉钢板,对付Mark.I型、Mark.II型坦克基本够用。

  英军在发现自己的Mark.I型和Mark.II型坦克不足以抵御近距离的K型子弹后,于是在一战后期给改进的Mark.Ⅳ型坦克增加了钢板厚度。而德军闻此消息之后的第一反应是增大反坦克枪的口径,于是由毛瑟公司研制的T型13毫米反坦克枪在一战末期问世了。这种枪全长1.7米,重11.8千克,初速785米/秒,在100米距离上能够穿透22毫米厚的锅炉钢,能够满足对抗Mark.Ⅳ型坦克装甲的要求。

  


  当然,反坦克枪只是让步兵在坦克面前具备抵挡的能力,不至于束手无策,但其并不足以对抗大量坦克的冲锋,这种活儿主要还是要靠野战炮来完成。至于反坦克用的炮弹,德国人自然而然地第一选择是穿甲弹,利用巨大的动能“硬碰硬”击穿装甲。其实这也难怪,虽然坦克是德军第一次见,但是用来打击装甲的炮用穿甲弹对德国人来说却不是什么陌生的东西——早在19世纪60年代,各国海军就已开始用舰炮发射穿甲弹来对付强化防护的战舰装甲。而德国人由于要对抗海军居于绝对优势的英国皇家海军,在炮用穿甲弹方面更是走在了当时世界最前列。

  从19世纪60年代到一战时期,各国海军先后为舰炮研制了三种穿甲弹,即尖头穿甲弹、钝头穿甲弹和被帽穿甲弹。其中使用最早的尖头穿甲弹的弹头是由淬过火的钢材制作而成,头部呈尖形,利用巨大的动能撞击装甲造成穿透效应。为了提高击穿装甲的杀伤后效,不少英军查看缴获的德国反坦克枪尖头穿甲弹还在弹丸底部设有一个小的空腔,内部装少量炸药,可以在击穿装甲后爆炸杀伤内部人员。

  但在使用过程中,人们逐渐发现尖头穿甲弹有一个明显的缺点,就是战舰的装甲是有一定倾斜度的,而且进入20世纪后的战舰装甲还经过了表面渗碳处理,硬度较大,因此尖头穿甲弹击中时容易发生跳弹和弹头破碎的现象。

  为了解决这个问题,人们又发明了钝头穿甲弹,就是将弹丸头部改为平钝形状,撞击装甲时接触面较大,弹丸头部单位面积上承受的反作用力较尖头穿甲弹小,可以减轻弹丸头部的损坏,射击倾斜装甲时不容易跳飞。

  不过,钝头穿甲弹仍然不能很好地解决跳弹问题,为此人们又研制出了被帽穿甲弹,就是在弹丸头部的外面焊接一个外形平钝、用韧性较好的合金制成的被帽,当炮弹击中目标时,被帽可以让弹头“粘”在弹着点上防止发生跳弹。而且被帽在撞击装甲并破损的同时,也给装甲表面造成一定的损坏,有利于完整的尖形弹体继续穿甲。

  言归正传。德国人一战时期研制的反坦克穿甲弹可没有舰用穿甲弹那么多种类,只有尖头穿甲弹,因为英国和法国坦克薄薄的锅炉钢板还不需要德国人研制钝头和被帽穿甲弹。据史料记载,德军在一战时使用的穿甲弹主要是莱茵金属研制的37毫米尖头穿甲弹,配用于Tak型37毫米野战炮。此外,德军的77毫米野战炮(如FK16型)也使用过尖头穿甲弹。

  高爆榴弹在一战中对坦克也是很大的威胁。虽然这种炮弹不是专门反坦克的,但是由于当时坦克的锅炉钢装甲抗弹性能差、厚度又太小,因此猛烈的炮火一顿乱捶,只要有炮弹碰上坦克,也能将之摧毁或重创。在1917年11月20日的康布雷战役中,英军在战场上损失的65辆坦克都是德军炮火的功劳,这里面既有野战炮发射的穿甲弹,也有普通榴弹。

  总体来说,坦克在一战中的出现是具有划时代意义的,但限于当时的技术和人们对坦克作用认识的局限,坦克并未发挥出决定战场胜负的作用,其装甲防护水平也一直处于很低的状态,因此反坦克弹药的发展也很缓慢。

  两次大战之间的甲弹对抗

  一战结束后到整个20年代,反坦克武器的发展基本陷入停顿状态,其主要原因还在于坦克在一战后的发展仍然是走轻型化、重视机动的路线,装甲防护力并没有得到明显增加。

  直到进入30年代,各国才开始对反坦克武器的发展予以重视,但这一时期主流的反坦克武器是20毫米和37毫米反坦克炮,配用的弹药为尖头穿甲弹。

  1936~1939年的西班牙内战给坦克和反坦克武器的发展都带来了很大契机:坦克逐渐开始加强装甲防护,而反坦克武器则进一步提高威力,如英国研制了2磅(40毫米)反坦克炮,苏联研制了45毫米反坦克炮,法国则研制了47毫米反坦克炮。

  与此同时,人们还开始注意到“门罗效应”在反坦克方面的作用。所谓“门罗效应”,就是锥形装药形成的“聚能爆破效应”。

  1888年,美国人门罗在一次炸药爆破试验中发现,一个实心的炸药柱放在钢板上引爆,只能将钢板表面炸一个小坑;但如果将一个有锥形空腔的药柱锥形开口朝下放在钢板上引爆,却能在钢板上结结实实地炸个洞。

  1930年,一名叫伍德的美国人发现,如果在锥形空腔内镶上一个形状一样的金属药型罩,可以大幅度增强破甲能力。

  这样一来,一些国家(如瑞士)从30年代开始尝试设计空心装药结构的反坦克破甲弹,其作用机理如下:

  破甲弹的基本部分——空心装药战斗部的结构是把装药制成圆柱体药柱,在装药的端面开有一个圆锥形的空腔,并在空腔表面覆盖一层延展性好、密度较大的金属药型罩。当破甲弹打击装甲时,圆锥形空腔后方的圆柱形装药首先爆炸,产生的冲击波以8000米/秒以上的速度冲击金属药型罩,并集中在圆锥顶点上。

  于是整个金属药型罩向圆锥的底部压缩,压强被集中在圆锥的中线上。而受到压缩的金属药型罩堆集到一起,继而由圆锥底部的中心被向外推出。由于爆轰波产生的压强非常大(局部压力可达几十万甚至百万个大气压),所以金属是以8000~9000米/秒的速度向外直线喷出的。此时金属虽然仍是固态的,但强大的动能使它的运动方式近似于液态。当金属药型罩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,结果是最先射出的金属速度在8000米/秒以上,而其后射出的金属速度则逐渐下降(甚至减少至2000米/秒左右)。而由于速度的差别,使得沿中心锥孔射出的金属形成一条方向性极强的金属射流。这个过程,就是人们通常所说的“聚能过程”。

  当高速、高温、高压的金属射流撞击到装甲时,强大的动能逼迫构成装甲板的物质向四周液态流动,打开一条通道。同时,射流最前部不断向四周扩散,从而在穿过的装甲板内形成一个喇叭状的孔洞。如果金属射流在完全被消耗掉前穿透装甲,那么它将挟着撞击和穿透装甲过程中形成的碎片高速射入车辆内部,杀伤人员及毁伤坦克装甲车辆内部设备。形象点说,破甲弹金属射流穿透装甲的方式颇似高压水枪冲击土墙的情景。

  从上面介绍的破甲弹作用机理,我们可以知道破甲弹与初速大小、射距远近没有关系,威力大小主要取决于其本身的空心装药设计,特别是金属药型罩的设计。如果纯粹从提高破甲弹威力来讲,则能够流动的药型罩密度越大,穿透能力越强。就此考虑,金无疑是最理想的,因为其柔软、延展性好、密度又大,很容易形成比较均匀的金属射流。但金的价格非常昂贵,没有哪个国家选择其作为破甲弹金属药型罩的材料,所以最常用的金属药型罩材料是铜,因其密度较大,同时流动比较容易,而且价格较低,人们能够接受。

  除过铜和金外,其它重金属虽然密度满足要求,却难以压迫成射流。许多资料在介绍破甲弹时都将它列入化学能弹药,实际上并不完全准确。因为破甲弹打击装甲的方法实际上也是靠动能(高速金属射流),只是其聚集动能的方法是化学方式。

  现在有不少观点认为两次世界大战之间反坦克武器没有大发展是令人扼腕的失误,以致二战初期德军利用坦克发起“闪击战”频频得手。这类观点明显属于“事后诸葛亮”,因为有需求才有发展,在当时的情况下,绝大多数人对坦克的作用仍然认识不清,坦克装甲也没有得到多大改进,这又如何刺激反坦克武器去进行超前发展。

  其实,二战初期德军坦克所向披靡是战术方面的成功,而不是坦克技术的成果。就二战爆发前的反坦克弹药情况来看,基本是与坦克的装甲对抗相适应的,并不存在落后的问题。

  二战中的甲弹对抗

  世所公认,二战是坦克称雄战场的时代。一场场波澜壮阔的坦克大战,使坦克这种矛与盾相结合的陆战装备以空前规模发展起来,成为当之无愧的“陆战之王”。自然而然,二战也成为坦克装甲车辆发展的全盛时期。

  二战初期,各国还以装甲很薄的轻型装甲车辆为主,但很快就过渡到装甲防护力明显提升的中型坦克。到二战中后期,中型坦克已经成为坦克战的绝对主角,而装甲防护力更强的重型坦克也在不断涌现。二战中的坦克在强化装甲防护力方面采取的措施主要包括以下几种:

  1、装甲厚度大幅增加。

  在二战初期,坦克的车首上装甲和炮塔正面装甲厚度普遍还只有10~40毫米,而到二战末期,中型坦克的车首上装甲和炮塔装甲厚度普遍达到45~100毫米,重型坦克的车首上装甲和炮塔正面装甲厚度则达到了100~220毫米。例如二战末期苏联研制的IS-3重型坦克车首上装甲厚110毫米,炮塔正面装甲厚达201毫米;纳粹德国在二战后期研制的大名鼎鼎的“虎”式坦克车首上装甲厚102毫米,炮塔正面炮盾装甲厚120毫米,就连炮塔两侧和背面的装甲厚度也达82毫米;“虎王”重型坦克车首上装甲厚达150毫米,炮塔正面装甲厚185毫米;“鼠”式坦克车首上装甲、炮塔侧面和后面装甲厚度均为200毫米,炮塔正面装甲厚达220毫米,车体侧面装甲厚180毫米,车体后部装甲厚150毫米,战斗全重竟达到了惊人的188吨,成了坦克发展史上的“恐龙”。

  2、装甲材料有了突飞猛进的发展,普遍采用均质钢装甲。

  这种装甲钢是将钢板加热到820~860摄氏度,再在油或水中淬火进行硬化处理。由于处理后的钢板既硬又脆,所以还要再放到400~650度的火炉中进行数小时的回火处理,最后的产品才具有合适的韧度和均匀微结构,即均质钢。回火温度要根据所要求的机械和弹道特性确定,硬度较高、厚度较薄的甲板要求的温度低,韧性较好、厚度较大的甲板要求的温度较高。

  二战中后期还出现了高硬度的合金钢装甲,特点是在普通钢装甲基础上加入镍、铬、钼、锰等合金元素,使钢装甲的硬度和韧性大幅提高。高硬度合金钢最具代表性的产品是德国的表面硬化钢装甲,原理就是对低碳厚钢板的一面进行表面硬化处理,可以使一种材料同时具备硬质破坏和韧性吸收特性,其主要优点在于底层甲板的可塑性更大,可阻止装甲板上的裂纹延展;而表面层硬度高,则能够使攻击弹丸变形或破碎。

  早期的表面硬化处理方法是碳化处理法,就是将碳浸入钢材的外表面层以增加碳的含量,进而提高其硬度。在19世纪90年代,战列舰的装甲采用的就是这种钢材。而在二战期间,德国人对坦克使用的表面硬化钢装甲采用的是火焰硬化处理方法,就是用瓦斯火焰对甲板表面高温加热,再迅速淬火冷却加工出硬度极高的脆层。这种甲板随着厚度的增大,其硬度减小。

  著名的“虎”式坦克所采用的镍铬锰合金表面渗碳硬化钢装甲,防护效果能够达到等效于125%厚度的均质钢。由于其硬度极大,所以当时使用最普遍的钢制穿甲弹很难击穿。在苏德战场上,采用表面硬化钢装甲的“虎”式坦克经受住了苏军76毫米穿甲弹的近距离射击,

  而苏军大量装备的37、57、76反坦克炮发射的尖头穿甲弹更是被“虎”式坦克的表面硬化钢装甲直接碰碎,迫使苏军不停地增大火炮口径来提高穿甲能力,像IS-2系列和IS-3系列重型坦克的主炮口径就达到了惊人的122毫米。

  此外,二战时还出现了将不同的钢板轧合在一起的双硬度装甲板。与单一硬度的装甲材料相比,这种装甲板具有不同的硬度值——表面层含碳量较高,经热处理后具有较高的硬度;而另一面硬度较低。

  3、装甲倾斜角不断增大。

  装甲倾斜角度有两种功能:

  其一是装甲表面倾斜度会增加反坦克弹药击中装甲时跳飞的概率,特别是装甲倾斜角达到60度以上,反坦克弹药跳飞的概率非常大,只能对装甲造成很小的破坏甚至完全没有效果。

  其二是装甲倾斜度增加了装甲的有效厚度。例如德军“黑豹”坦克车首上装甲厚80毫米,倾斜角50度,等效装甲厚度达到了140毫米。

  有鉴于此,二战爆发后,各国坦克很快就抛弃了垂直设置的装甲板,不断提高装甲的倾斜度。但是,受制于当时的技术和工艺,坦克装甲的倾斜度不可能随心所欲地增大。实际上,到二战结束时,坦克车首上装甲的倾斜度大约在45~60度,炮塔装甲的倾斜度则更低些。

  4、装甲结构多样化,以整体铸造装甲和焊接装甲为主。

  由于坦克装甲厚度、材料性能的不断提高,一战以及两次大战之间流行的铆接装甲结构在二战时除了超轻型和部分轻型坦克还有应用之外,中型和重型坦克都采用铸造装甲或焊接装甲结构。其中苏、美普遍采用铸造装甲,如著名的苏联T-34中型坦克,炮塔为整体铸造而成,车体则采用均质装甲板焊接而成;美国M3A1“霞飞”、M4“谢尔曼”坦克的炮塔和部分车体组件都是铸造的;崇尚精密机械的德国人则对其Ⅲ、Ⅳ、“黑豹”坦克都采用的是焊接炮塔。

  二战后期,为了对抗越来越大的破甲弹威胁,人们还发明了间隙装甲,就是在主装甲外面固定一个金属空腔结构体,当被破甲弹击中后,让破甲弹离开主装甲一定间隙引爆,利用空腔结构或者空气吸收金属射流能量,减弱金属射流对主装甲的冲击。

  二战中坦克装甲的大发展,自然也促使反坦克武器的发展水涨船高。而就反坦克武器的种类来说,更是百花齐放,包括牵引式和自行式反坦克炮、反坦克枪、反坦克地雷、反坦克枪榴弹、反坦克手榴弹、反坦克火箭筒、坦克歼击车、反坦克攻击机、无后坐力炮等,而且坦克自身的用途也越来越朝着反坦克方向发展,甚至被称为“最好的反坦克武器”。

  但概括来讲,琳琅满目的反坦克武器打击坦克装甲的原理仍不外乎两种——穿甲和破甲。以二战中反坦克“三大件”——反坦克炮、坦克和坦克歼击车来说,它们的口径是一路增大,到二战后期普遍在75毫米以上,所用弹药除了尖头穿甲弹、钝头穿甲弹之外,还有新出现的被帽穿甲弹、风帽穿甲弹(也有称为空心穿甲弹)、风帽被帽穿甲弹、次口径脱壳穿甲弹等。

  在这些反坦克穿甲弹中,尖头穿甲弹、钝头穿甲弹、被帽穿甲弹的大致结构和作用前面已介绍,显然大家也就知道钝头和被帽穿甲弹是二战中后期主要用来对付大倾角装甲的,其中被帽穿甲弹的代表型号是苏联IS-2重型坦克配备的122毫米BR-471。风帽穿甲弹、风帽被帽穿甲弹是人们考虑到钝头穿甲弹和被帽穿甲弹的弹丸头部变成了钝形,增加了飞行中的空气阻力,所以就在弹丸头部增加了一个轻金属制作的尖头风帽,以减小飞行中的空气阻力。当击中目标装甲后,风帽粉碎,不会影响弹头正常穿甲。

  值得一提的是,风帽穿甲弹、风帽被帽穿甲弹也是二战硬芯穿甲弹(也称高速穿甲弹)的开山之作。众所周知,穿甲弹要提高穿甲能力,唯一的方法就是增大动能,这就需要更大的口径、更大的初速。但这样一来,反坦克火炮的体积也变得愈加庞大。显然,这种直线思维并不能解决问题。

  于是,人们开始在弹丸结构上动起了脑筋,用轻金属外壳包裹一个相对较细,但是用硬质合金(如碳化钨)制作的弹芯,由此就诞生了全新的硬芯穿甲弹。这种弹内部没有炸药,纯粹靠动能摧毁目标。由于弹体除了弹芯外都用轻金属制作,所以在同等口径、同等发射药量的情况下可以得到更高的初速。例如德国“虎”式重型坦克的88毫米L56炮配用的Pzgr.40碳化钨弹芯风帽被帽穿甲弹,弹头重4.9千克,初速达到了930米/秒,而同口径的Pzgr.39被帽穿甲弹初速只有733米/秒。在500米距离上,Pzgr.40穿甲弹可穿透156毫米均质钢装甲,而Pzgr.39穿甲弹对30度倾斜均质钢装甲的穿深只有110毫米。

  但是这种穿甲弹也有缺点,为了追求高初速,不得不尽可能降低弹丸重量,这样弹丸虽然在近距离拥有很大的穿甲深度,但在远距离上受风偏影响更大、速度衰减也更快,所以这种硬芯穿甲弹的射击精度和穿深随着射击距离的增大而迅速变差。

  由此可见,当高速穿甲弹发展到一定程度以后,技术瓶颈又一次出现了:为了进一步提高初速,要么继续减轻弹丸重量,但这样精度和穿深随距离衰减的问题会更加严重;要么增大弹丸口径,增加火炮药室容积,但这样一来火炮的结构又会很庞大,而且在弹丸飞行过程中,外面的轻金属外壳是没有意义的“死重”,增大口径显然会进一步增加“死重”,反而会降低初速。这种令人困惑的技术矛盾,

  在二战末期被英国人解决了。英国人在其著名的17磅反坦克炮上使用了一种新弹药——次口径脱壳穿甲弹。这种弹在高速穿甲弹的基础上去掉了风帽,虽然也有一个轻质外壳,但这个外壳在飞出炮口后就自动飞散脱落,只留下尖细的碳化钨弹芯在空气中飞行。这样一来,弹丸在空气中受到的阻力明显减小,“死重”也不存在了,初速则达到了1200米/秒。

  在次口径脱壳穿甲弹面前,表面硬化装甲彻底丧失了其赖以生存的基础,而其复杂而浪费时间的加工工艺则使得其成本过高。效能的丧失和高昂的成本,使得表面硬化装甲随着二战的结束而退出了历史舞台。尽管表面硬化装甲消失,但是作为第一种拥有复合物理性能的装甲,其在装甲发展历史上的重要地位还是不容抹杀的。

  破甲弹在二战中虽然发展很快,应用也比较广泛,像反坦克枪榴弹、反坦克手榴弹都是根据破甲弹原理制造的,反坦克火箭筒和部分身管火炮也配用了破甲弹,但是实战效果并没有预想的那样显著,多数时候实际破甲威力和理论值相差甚大。例如,德军24倍口径75毫米反坦克炮配用的破甲弹如果按照理论值,破甲威力应该达到近200毫米,足以对付二战时期大部分坦克的装甲。但是在实战中,其破甲能力远没有那么高。同样,德军的“铁拳”、美国的M9“巴祖卡”反坦克火箭筒也难以击穿坦克的正面装甲。所以,二战时期的破甲弹发挥的作用并不大。


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