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3D打印在武器彈藥中的應(yīng)用 

2023-03-16 16:09
隨著高分子材料行業(yè)的蓬勃發(fā)展,各類工程塑料及其復(fù)合材料的各方面性能在不斷提高,使其能夠更廣泛地應(yīng)用于兵器工業(yè)中,為輕武器的研發(fā)提供了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)和保障。

使用輕質(zhì)量、高強(qiáng)度的工程塑料制備彈藥的零部件,可以起到減輕彈體質(zhì)量、增加彈丸速度和射程、提高命中精準(zhǔn)度和威力、降低彈藥成本等作用,同時還能節(jié)省大量金屬材料,在國內(nèi)外已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。目前,3D打印工程塑料在常規(guī)彈藥上的應(yīng)用主要是發(fā)展彈托、彈帶和閉氣環(huán)三大系列。

在彈托上的應(yīng)用

彈托材料在使用過程中經(jīng)歷了兩次革命,第一次是由鋁合金代替合金鋼,第二次則是由工程塑料取代鋁合金,其主要目的是減輕彈托消極質(zhì)量,提高彈丸初速和終點(diǎn)彈道威力,還可避免彈托破裂后對友鄰槍手的傷害。

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3D打印的彈托
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一種電磁軌道炮用輕質(zhì)一體化彈托

美國陸軍材料力學(xué)中心對大長徑比脫殼穿甲彈彈托用工程塑料及其復(fù)合材料進(jìn)行了一系列的研究,包括彈托材料、有限元結(jié)構(gòu)分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論和成型工藝等。
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穿甲彈結(jié)構(gòu)示意圖

他們設(shè)計(jì)了兩種不同結(jié)構(gòu)的卡瓣?duì)钏芰蠌椡?,一種是由4個卡瓣構(gòu)成,另一種是由16個卡瓣構(gòu)成。先用工程塑料制備卡瓣,再用機(jī)械和整體成型的方法把彈托固定在彈心上。在彈丸的射擊過程中,由于離心力作用,膛線與彈帶分離,彈托自由落下。此類彈托質(zhì)量輕,成本低,塑料卡瓣可均勻脫落,飛行過程穩(wěn)定。


美國Olin軍械公司在1984年研發(fā)的脫殼穿甲彈塑料彈托是由高強(qiáng)度工程塑料聚醚酰亞胺(PI)Ultem1000制備而得,其懸臂梁沖擊強(qiáng)度高于640J/m,壓縮強(qiáng)度在130.7MPa以上,拉伸強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度高于82.7MPa,在射擊過程中彈托性能穩(wěn)定,大幅度提升了彈丸的準(zhǔn)確度和穿甲速度;該公司還使用就地塑模法制備了無應(yīng)力塑料彈托用于Phalanx彈,使得彈心、彈帶、彈塞和彈托能夠自動有效地配合,減輕炮管振動,提高打擊精度。美國太平洋技術(shù)公司研發(fā)的12.7mm脫殼穿甲彈的彈托使用了力學(xué)性能良好的聚碳酸酯(PC)復(fù)合材料,20mm和30mm口徑的穿甲彈使用尼龍基復(fù)合材料作為彈托。

美國研發(fā)的“阿里法”槍彈運(yùn)用了彈丸裝入塑料彈托內(nèi)的組合結(jié)構(gòu),工程塑料特殊的潤滑作用能使摩擦造成的動能損耗降低至0.5%,該彈丸的初速度比常規(guī)彈丸大50%,后坐力減少36%,散步降低1/2~2/3。近年美國還在纖維增強(qiáng)工程塑料上取得了較大的突破,使用碳纖維增強(qiáng)聚醚酰亞胺(PEI/CF)復(fù)合材料制備的120mmM829A3穿甲彈彈托展現(xiàn)出了優(yōu)異的性能,且制造成本較低;
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美軍不同類型穿甲彈

法國研發(fā)了一類可應(yīng)用于不同口徑的手槍、步槍和沖鋒槍的西尼克斯高性能槍彈,該彈同樣采用了彈頭嵌入塑料彈托內(nèi)的組合結(jié)構(gòu),降低膛內(nèi)摩擦的同時提高射擊初速度;瑞士、德國、荷蘭等國也采用新型熱塑性樹脂復(fù)合材料制備了各類彈托用于不同口徑的穿甲彈,使得彈丸的綜合性能顯著提高;工程塑料在其他國外彈托上的應(yīng)用情況如表1所示。
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中國在彈托中應(yīng)用最為廣泛的是尼龍材料,增強(qiáng)增韌尼龍66、增強(qiáng)改性尼龍610等材料已成功應(yīng)用于25、30mm脫殼穿甲彈彈托和30mm曳光鎢合金脫殼穿甲彈彈托上。

在彈帶上的應(yīng)用

塑料彈帶的研發(fā)始于20世紀(jì)40年代,于1954年研制出第一個塑料彈帶,其作用是降低膛線的磨損與燒蝕,提升彈丸初速度和速射能力,延長火炮使用壽命。
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彈帶

塑料彈帶通常分為固定式和滑動式,固定式彈帶常用于線膛炮和滑膛炮發(fā)射的靠旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定的彈丸上,滑動式彈帶用于線膛炮發(fā)射的尾翼穩(wěn)定的彈丸。一般來說,塑料彈帶材料擁有優(yōu)異的延展性和抗撓曲性,受熱后能夠發(fā)生明顯的塑性流動,可以完美地嵌入膛線并密封彈丸,使之與炮管緊密結(jié)合,從而減少對炮管的磨損。

美國研發(fā)的M61A1式6管航炮彈中,鋼彈帶被塑料彈帶取代之后,其發(fā)射初速度由1036m/s提升到1125m/s,射速由6000發(fā)/min提升到7200發(fā)/min,壽命可達(dá)15萬發(fā),生產(chǎn)成本也有所降低;30mmGAV8/A艦炮穿甲燃燒彈采用塑料彈帶后,射速可達(dá)750發(fā)/min,炮管使用壽命提高了3倍;90mmM431式破甲彈和105mmM68U式脫殼穿甲彈都采用尼龍66制備滑動式彈帶,解決了彈體結(jié)合不牢固的問題,且制備方法簡單。
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M61A1“火神”航炮

通用電氣公司研發(fā)的30mm口徑GAU-8/A“復(fù)仇者”7管炮彈采用了塑料旋轉(zhuǎn)彈帶,使得整個體系的質(zhì)量減少了272kg,導(dǎo)彈壽命有所延長。蘇聯(lián)研發(fā)的30mm加特林6管機(jī)炮彈中,使用塑料彈帶取代銅彈帶后,初速度提高的同時,射速從3000發(fā)/min提升到9000發(fā)/min,槍管磨損降低,使用壽命延長。
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GAU-8/A“復(fù)仇者”

德國研制的27mm毛瑟BK27式航炮彈使用塑料彈帶之后,與燒結(jié)鐵彈帶相比,生產(chǎn)成本下降,身管的磨損減少了90%,初速度提升了6%,并使連發(fā)射擊過程中相鄰兩發(fā)彈的初速跳動量降低;工程塑料在其他國外彈帶上的應(yīng)用情況如表2所示。
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中國從20世紀(jì)70年代初開始塑料彈帶的研發(fā)工作,積極探索新材料、新技術(shù)、新工藝在塑料彈帶研發(fā)中的應(yīng)用,目前已取得了很大的進(jìn)展。中國兵器工業(yè)集團(tuán)在20世紀(jì)80年代成功研制出用于大口徑整體塑料彈帶的微晶纖維素(MCC)、單體澆鑄(MC)尼龍和聚丙烯材料,同時發(fā)展了彈帶整體裝配成型工藝技術(shù),分別應(yīng)用于7種口徑脫殼穿甲彈9個不同彈種上,并已經(jīng)取得了良好的效果,其性能在某些方面已經(jīng)超過了國外同類彈帶。

在閉氣環(huán)上的應(yīng)用

塑料閉氣環(huán)也屬于塑料彈帶的一種,其主要作用是在彈丸發(fā)射時閉氣和定心。彈丸發(fā)射之后,塑料閉氣環(huán)會受到旋轉(zhuǎn)離心力、發(fā)射藥氣體作用力以及空氣阻力等作用力而破碎脫落。目前塑料閉氣環(huán)在線膛炮和迫擊炮的各種不同口徑的炮彈上廣泛使用,且效果良好。
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1:彈芯  2:彈托  3:閉氣環(huán)

美國Martin Marietta公司研發(fā)了一類帶有V形槽的脫耦式塑料閉氣環(huán),可用于線膛炮發(fā)射高精度炮彈。此類塑料閉氣環(huán)能夠刻入膛線,氣密性良好,能夠保證炮彈發(fā)射時有足夠的推力,又能讓炮彈在炮管末端脫離膛線,使其轉(zhuǎn)速低于20r/s,并且可耐受204.4℃高溫。
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線膛炮

此類閉氣環(huán)分為陸軍和海軍使用的兩種類型。前者由對位芳綸增強(qiáng)127E型尼龍制備而得,在炮彈飛行過程中為炮彈的一部分,離開炮管時不會破碎,環(huán)形槽部分較穩(wěn)定,V形原件部分容易變形,可刻入膛線;后者是未用纖維增強(qiáng)的127E型尼龍制備,炮彈發(fā)射后就會破碎。美國United Technogies公司用剛性較好的工程塑料制備了一種雙件消旋型閉氣環(huán),它是由剛性環(huán)體和柔性滑動片組成,能夠在極端環(huán)境中使用,起到高壓和低壓密封作用,使炮彈在高速發(fā)射的過程中在炮管內(nèi)保持合適的位置。中國制造的81、82、100、120mm迫擊炮榴彈和105mm破甲彈、155mm榴彈都使用了塑料閉氣環(huán)。
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國產(chǎn)120mm車載迫擊炮榴彈

對于不同類型的炮彈,彈帶和彈托使用的塑料種類各異,其對彈藥的作用機(jī)制也有差別。工程塑料具有優(yōu)異的塑性變形能力,耐磨性較好,摩擦因數(shù)小,使得彈帶的摩擦熱低,利于裝配成型。因此塑料彈帶、彈托及閉氣環(huán)的閉氣定心效果要比金屬材料強(qiáng),尤其是滑動式塑料彈帶的微旋作用是金屬彈帶不能做到的。同時,塑料彈帶和彈托相較金屬材料有更好的密閉定心作用,可更加充分地利用火藥氣體的能量,降低摩擦剪切動能,改善內(nèi)彈道性能,因此無論是對于線膛炮還是滑膛炮都能夠提升初速度和射程,增加彈藥威力。

在制備工藝方面,3D打印(增材制造技術(shù))這一革命性制造方法的興起,對傳統(tǒng)制造業(yè)產(chǎn)生了巨大的沖擊,對未來軍事領(lǐng)域的發(fā)展也產(chǎn)生重大的影響。自2013年首款3D打印手槍“解放者”(全槍16個零部件均由塑料ABS制得,圖9 )問世以來,3D打印技術(shù)已經(jīng)充分應(yīng)用于美軍的裝備研發(fā),近年來美軍在此技術(shù)上的投資也越來越大。
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美軍曾在非常短的時間內(nèi)打印出AR-15半自動步槍的實(shí)體和大部分零部件,并且使用此槍發(fā)射600多發(fā)子彈,展現(xiàn)出良好的實(shí)用性能。此外,由于士兵體型、射擊和瞄準(zhǔn)習(xí)慣等個體差異,槍械的個性化定制變得尤為重要。3D打印技術(shù)可根據(jù)士兵的握槍習(xí)慣及手感,打印出不同質(zhì)量和形狀的槍托、護(hù)木、握把等零部件,替換批量生產(chǎn)的槍械上的制件,滿足不同需求,讓士兵在使用此類定制槍械時更加得心應(yīng)手,提高士兵的作戰(zhàn)能力。
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與機(jī)器制造的零部件相比,3D打印技術(shù)生產(chǎn)的制件質(zhì)量更輕,時間更短,且機(jī)械強(qiáng)度相差不大,可全面應(yīng)用于輕武器的制備,如槍械構(gòu)件在實(shí)際作戰(zhàn)中有所損傷,采用此技術(shù)可迅速生產(chǎn)所需構(gòu)件,替換破損零部件,及時補(bǔ)給軍用裝備。

來源:博理科技
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