新型材料技术在弹托上的应用*

汤子鑫 林国宝 孙思浩 林炜庭

(总装备部南京军事代表局驻福州地区军事代表室 福州 350003)



新型材料技术在弹托上的应用*

汤子鑫 林国宝 孙思浩 林炜庭

(总装备部南京军事代表局驻福州地区军事代表室 福州 350003)

随着装甲防护技术的迅速发展,世界各发达国家都在致力于提高大口径杆式脱壳穿甲弹的穿甲威力。从理论上分析,作为影响穿甲威力的因素之一,弹托的重量属于消极重量,因此在不影响指标要求的情况下,选用何种材料的弹托,减轻其质量成为一条重要途径。

新型材料; 弹托; 应用

Class Number G254

1 引言

随着装甲防护技术的迅速发展,世界各发达国家都在致力于提高大口径杆式脱壳穿甲弹的穿甲威力。从理论上分析,作为影响穿甲威力的因素之一,弹托的重量属于消极重量,因此在不影响指标要求的情况下,选用何种材料的弹托,减轻其质量成为一条重要途径。

2 弹托的主要作用

弹托是组成弹丸的重要部件之一,其主要作用有三个: 1) 定位作用,保证弹丸在炮膛内正常运行; 2) 闭气作用,保证弹丸在炮膛内运行过程中发射药气体不泄漏,使发射药气体的能量得以充分发挥; 3) 导转作用,使弹丸在炮口获得一定的转速,以提高弹丸的弹道飞行稳定性。

3 弹托的指标要求

1) 在保证弹托足够强度和刚度条件下,尽量减轻弹托的消极质量,以最大限度地提高弹丸炮口动能。

2) 弹托在弹膛内应具有良好闭气性,正确地引导弹丸在膛内运动。

3) 弹托在出炮口后,应脱壳迅速、一致性好,以减少脱壳对弹体运动的干扰。

4 弹托的主要材料

早期的弹托均采用紫铜、铜合金、纯铁、铝及其合金等金属材料制造。随着兵器工业和化学工业的不断发展,各种武器装备性能的提高,从某种程度上来讲,金属材料的弹托已经不能够满足现代化武器装备的需要。国内外相继开展了塑料塑料弹

托的研究,塑料弹托成为世界各工业先进国家用于各种新型炮弹的一项高新技术,特别是20世纪70年代以来,这项高新技术在各种新式炮弹上得到了广泛应用,使得常规武器炮弹的各项关键技术性能有了飞跃发展。塑料弹托并不是机械地简单代替金属弹带和弹托,而是利用了全新的结构、材料和技术,它涉及到内弹道学、外弹道学、空气动力学、弹丸设计理论、强度理论、摩擦理论、工程塑料配方设计、试验、测试、优化设计等一体化系统工程理论,是一个综合性较强的科学领域,使得弹托的作用与概念焕然一新。

5 新材料技术在弹托上的应用

弹托材料技术是采用轻质材料和适当的工艺制造弹托,使其在膛内承受高加速负荷与短时间的高应力,在炮口能可靠而且迅速地与弹芯分离的技术。弹托通过结合槽或齿与弹芯连为一体,是次口径脱壳穿甲弹不可缺少的部件。它必须保证炮弹在膛内安全运行,把发射要燃烧气体的高加速动能传递给弹芯,在炮膛脱离炮口的瞬间与弹芯分离,从而使弹芯能带动足够的能量以高速精度攻击目标。弹托在弹上是消极质量,为了保证或提高弹芯的初速、飞行精度以及侵彻能量,要求弹托的质量尽可能小。国内外研究了大量的质量小、负荷高的新型弹托材料,如聚丙烯、环氧、聚酯改性的聚酰胺6及弹性体改性的聚酰胺6等树脂材料,缠绕成弹托形成弹托的玻璃纤维和热解石墨等具有高抗拉强度的长纤维材料,碳纤维增强热塑性塑料与玻璃纤维增强尼龙等纤维增强材料,聚合物复合材料以及纤维增强材料上等离子喷涂铝基合金等。

5.1 轻质材料技术在弹托上的应用

弹托采用轻质材料技术可以减轻穿甲弹的消极质量,从而提高弹芯的初速、飞行精度以及侵彻能量。例如AZ91镁基合金或者玻璃纤维增强环氧取代铝合金制造一种试验穿甲弹的弹托,可以减轻弹托质量约30%,减少试验弹的质量15%～20%。

5.1.1 镁基合金

由某研究所利用镁基合金制造的弹托安装到直径8mm、长150mm、质量140g的重金属试验弹芯上制成试验弹,然后在炮弹中发射该试验弹进行加速试验,火炮以50Gpa以上膛压发射试验弹,将其加速到106m/s以上。在离炮口大约1.5m处拍摄X射线照片,试验结果表明,AZ91镁基合金对应变速率敏感,具有较强的压缩强度,可承受高压应力和高加速负荷。与试验铝合金弹托相比,减少弹托质量大约30%,减少试验弹的质量15%～20%。

5.1.2 纤维增强树脂基复合材料

采用玻璃纤维增强环氧树脂复合材料由与主应力水平取向的E-玻璃纤维粗砂与环氧制造弹托,环氧含量为35%(质量)或50%(体积)。该材料的力学性能是:密度2.0g/cm3,抗压强度900MPa,抗拉强度900MPa,弹性模量36GPa,破坏应变小于2%。动态压缩试验表明,该材料在试验的纤维增强树脂基复合材料中具有最高的压缩强度,最低的破坏应变。

国外,利用多个多层纤维增强树脂复合材料单元制造坦克炮射尾翼稳定脱壳穿甲弹弹托,具有提高弹托性能、生产成本最低的优点。例如一种扇形弹托组件的材料结构是用多个六层(O、O、+α、-α、O、O)纤维增强复合材料单元制成的复合结构。在六层材料单元中,O表示增强纤维与弹托纵轴平行取向的方式分布,+α表示增强纤维与弹托纵轴成任意正角的取向方式分布,-α表示增强纤维与弹托纵轴成任意负角的取向方式分布。与用传统四层(O、+45、-45、O)纤维增强复合材料单元制造的扇形弹托组件相比,上述六层材料单元扇形弹托也具有较高的强度和刚性,减少质量20%。

5.2 形状记忆合金在弹托中的应用

弹托在炮口能否可靠并迅速地分离,直接影响弹芯的射击精度与威力。传统的次口径脱壳穿甲弹依靠空气进入弹托前端气口产生的气动力使弹托与弹芯分离,可靠性较差。国外在研究的弹托中利用镍钛形状记忆合金分离垫片,较好地解决了弹托分离问题。由于不靠气动力分离弹托,在每个弹托卡瓣的前端可加工去除部分材料,从而降低了弹托的质量。分离垫片安装到三个卡瓣侧壁之间以及卡瓣之间以及卡瓣与弹芯之间的多个位置处。当炮弹离开炮口的瞬间,分离垫片因在炮膛内被加热到变相温度以上,从而马氏体相转变成奥氏体相,使其在马氏体相下的变形态恢复到原来的形态,从而同时侧向和径向产生大的推力,使弹托与弹芯分离。

6 新型材料技术在弹托上发展的展望

弹托材料的应用和研究应以轻质为重点,尽量选用强度高,韧性好的材料。虽然现阶段国内外在弹托材料技术上取得了很大的进步,但是在现如今材料技术迅速发展的今天仍有还大的发展空间,以下是笔者自己对新材料技术在弹托上应用的一点遐想。

6.1 纳米/微米复合技术

高分子纳米基复合材料是很有发展前途的重要复合材料,具有质地轻、强度高、耐腐蚀、设计和成型自由等特点,并且有不同的基料和填料经过合理的搭配可以得到不同的效果,所以它在弹托上的应用发展空间极为广大。

6.2 新型无机非金属材料

陶瓷的共同弱点是“脆”,加之它们都经受不住急剧加热和急剧冷却的考验,所以长期以来,陶瓷的用途受到了很大的限制。由于科学技术的发展,陶瓷的生产技术取得了重大突破,科学家们利用高纯度的天然无机物及人工合成的无机化合物,采用多种技术先进的制造工艺,研制出许多种具有硬度高、密度低(重量轻)、耐高温、耐腐蚀、耐磨损等超常性能的新型陶瓷。这些新型陶瓷的优良特性是金属材料及高分子材料无法比拟的,所以新型无机非金属材料在未来弹托上的应用发展空间也是极为广大的。

[1] 陈光,崔崇,徐峰,等.新材料概论[M].北京:国防工业出版社,2013.

[2] 许春香.材料制备新技术[M].北京:化学工业出版社,2010.

[3] 郑子樵.新材料概论[M].长沙:中南大学出版社,2009.

[4] 李凤生.纳米/微米复合技术及应用[M].北京:国防工业出版社,2002.

[5] 刘鸣放,刘胜新.金属材料力学性能手册[M].北京:机械工业出版社,2011.

[6] 谭毅.新材料概论[M].北京:冶金工业出版社,2004.

[7] 赵程.机械工程材料[M].北京:机工工程出版社,2011.

[8] 黄新跃,胡本润,陈新文,等.航空材料的力学行为[M].北京:国防工业出版社,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

汤子鑫,男,助理工程师,研究方向:弹药。

G254

10.3969/j.issn1672-9730.2015.03.043