Tank Ammo Section Report N107, July 1986
A Comparison of the advantages and disadvantages of depleted uranium and tungsten alloy as penetrator materials
Обедненный уран и сплавы вольфрама в качестве материалов для сердечников
[url=http://technoreason.uсоz.гu/publ/oruzhie/ispytanija_razrabotki_technologii/obednennyj_uran_i_splavy_volframa_v_kachestve_materialov_dlja_serdechnikov/47-1-0-3888]http://technoreason.uсоz.гu/pu...kov/47-1-0-3888[/url]
Вольфрам
В конце 1950-х годов первичным материалом, используемым в качестве создания кинетической угрозы, подкалиберного снаряда, выступал карбид вольфрама (WC). Его твердость (Rc 55+) представляла сложности для обработки и была сопряжена с высокой плотностью, что позволяло упаковывать в малый объем и, по сравнению с его ближайшим конкурентом - высокоуглеродной статью, обеспечивать скачок в проникающей способности против единичного слоя брони.
Во время перехода к композитным бронированным целям, таким как НАТО «средняя двойная» и «тяжелая тройная» (medium double - наклон 60./ 1-ая пластина - 40 мм/воздушное пространство - 150 мм/2-ая пластина - 90 мм; heavy triple - наклон 65./ 1-ая пластина - 10 мм/воздушное пространство - 330 мм/2-ая пластина - 25 мм/ воздушное пространство - 330 мм/ 3-ая пластина 80 мм) (Circa 1960) обнаружилось, что сердечник карбида вольфрама восприимчив на разлом даже против тонкой (10 мм) фронтальной пластины.
Великобритания одной из первых отреагировала на данную проблему разработкой снаряда L52 (M728), в котором на замену пришел сердечник из WC и баллистический колпачок из сплава 93% вольфрама + 7% связующего (WA). В 1965-1972 годы в США были проведены работы по программе разработки 152 мм снаряда XM578 для танка MBT-70. В программе использовался WA (97,5% вольфрам + 2,5%). Сердечник был заключен в клиновидный кожух из мартенситно-стареющей стали для поддержки в стволе при высоком ускорении в 152 мм орудии.
Непосредственное приспособление XM578 кожух/сердечник, как известно, было менее эффективно по сравнению с монолитным сердечником из вольфрамового сплава той же массы (и меньшего диаметра). Первыми шагами в данном эволюционном процессе были XM735E1 и XM735E2, у которых возрос объем вольфрама, что привело к расходу мартенситно-стареющей стали
Таблица 1.
Данные пенетраторы оценивались при столкновении с одиночными и тройными целями. Пенетратор диаметром 28 мм был выбран в качестве наиболее привлекательного кандидата для дальнейших работ, и он, в конечном счете, стал использоваться в XM774 - изначально производимых как из вольфрамового сплава WA, так и из обедненного урана DU. Пенетратор диаметром 24 мм, как оказалось, являлся наиболее эффективным против пространственных рядов бронированных мишеней и лишь незначительно против монолитных целей.
Обедненный уран
Начало армейской работы было учреждено центром изучения материалов и механизмов армии США (US Army Material and Mechanics Research Center), Уотертаун, Миннесота. Непосредственное сравнение DU и WA показало, что сердечник из WA, по крайне мере, равносилен по проникающей способности. При использовании имеющихся на данном этапе требований к мишени (6 дюймов брони под углом 60 градусов) была очевидной эквивалентность характеристик DU и WA.
Научно-исследовательская программа "Раскрытие потенциала" для 105 мм орудия, приведшая к созданию боеприпаса XM774, изучила все варианты и требования и выбрала сплав U-3/4Ti для материала сердечника. Основываясь на полевых испытаниях, исследователи определили необходимость DU для удовлетворения всем критериям.
Обзор исторической эволюции данных материалов для использования в боеприпасах представлен в таблице
Таблица 2.
Производство и продуктивность
Создание сердечника на основе сплава вольфрама начинается с аммония паравольфрамата (APT) и основных порошков железа и никеля. APT окисляется и затем преобразовывается до порошкообразного вольфрама. Порошки смешиваются в соответствующих пропорциях для каждого и позднее гидростатически прессуются в цилиндрические заготовки. Каждая заготовка спекается в атмосфере водорода при температуре близ точки плавления сплава. Каленный сердечник несколькими методами подвергается дополнительной температурной обработке. В дальнейшем диаметр болванки механически уменьшается на радиально-обжимной машине. Степень снижения площади, составляющая примерно 12-25%, зависит от проекта и состава сплава. Штамповочный бланк затем подвергается фрезерованию. Критическими шагами, дающими представление о производственном процессе, являются спекание, горячая обработка и обжимка. Характеристики сердечника определяются, в первую очередь, условиями обжимки.
Обедненный уран, обычно доставляется предприятиями в виде UF4 (зеленая соль). UF4 смешивается с магнием и нагревается до спонтанной экзотермической реакции, которая сопровождается выделением дерби и флорида магния. [Дерби - промежуточный элемент массой больше 45 кг первичного металла, созданного «бомбовым» методом (типа восстановления магнием урана из тетрафлюорида урана).] Дерби загружается в вакуумную печь с титаном (0,75%), плавится и приводится к цилиндрическому слитку. Болванки вытягиваются и сворачиваются в стержень. Затем из стержня вырезается форма длиной как у сердечника и нагревается в вакуумной печи до температуры растворения. Заготовки закаляются и выдерживают перед окончательной машинной обработкой.
Некоторые наблюдения важных различий между WA и DU включают такой фактор как двукратно превосходящий модуль упругости WA над DU. Данная экстра жёсткость является преимуществом в пушке, где изгиб или дефекты ствола спереди, могут представлять проблему, не поддерживая длинный сердечник. Тем не менее, предполагается, что низкий модуль DU, связанный с его низкой скоростью проведения волны напряжения, выступает главной причиной высокой проникающей способности.
Другим важным различием является чувствительность к скорости деформации DU по сравнению с WA. В то время как DU изменения прочности очень низкие, и в испытаниях на растяжение составляют 10-4/сек -10/сек; WA может проявлять 30% увеличение прочности. Хотя оба материала подвергаются температурному переходу, пластичность и жесткость WA не проявляют таких значительных ухудшений как DU, когда производятся испытания при температуре ниже -45.C.
Традиционные диапазоны механических свойств представлены в таблице 3. Так как WA является композитом с металлической матрицей, для него можно предложить больше вариантов улучшения и культивирования механических свойств.
Таблица 3.
Вопрос массового производства сердечников из двух данных сплавов имеет как преимущества, так и недостатки (Таблица 4). Главным преимуществом WA является его способность совмещать высокую динамическую прочность с низкой температурной жесткостью. Это было доказано при апробации данных состояний в крупномасштабном производстве в условиях окружающей среды. Преимущества отчасти сглаживаются высокой начальной стоимостью вольфрама и «мифом» о его ограниченной доступности. В то время как стоимость рудника и очистка вольфрамовой руды, вследствие малой концентрации, является высокой, имеется изобилие свободных природных источников, более чем достаточных для удовлетворения проектировочным требованиям, включая и производство сердечников.
Таблица 4.
Каждый материал обладает исключительными критическими критериями производства (Таблица 5). Применительно к WA, требуется поддерживать очень узкий температурный диапазон в течение процесса спекания, кроме того, применяется холодная обработка штампов, и используются метод преобразования вольфрамовой руды в аммония паравольфрамат. Эти важные этапы успешно опробованы в производстве сердечников M735 WA; однако, они требуют постоянного и пристального внимания.
Таблица 5.
Производство U-3/4 Ti также имеет несколько важных шагов. Объем выпуска материала зависит от выбора экструзионного пресса или прокатного стана. Данное тяжелое оборудование, требующее крупных начальных вложений, делает неосуществимым дублирование систем. Большинство механических поломок может на неопределенное время вывести из строя производственные мощности.
Было произведено сравнение стоимости компонентов (Таблица 6). Закупка DU сердечников обходится дешевле, чем для WA. Сердечник WA 137$ приблизительно на 77$ дороже пенетратора DU, который стоит 77$. Однако, когда данная разница расходуется на сборку снарядов, и производится транспортировка боеприпасов на поле боя, стоимость WA снаряда оказывается на 15% выше.
Таблица 6.
Когда рассматривается полный жизненный цикл снаряда, должна приниматься во внимания стоимость демилитаризации сердечников. Для DU боеприпаса демонтаж и удаление компонентов представлены затратами 1-3$, где повышенные значения определяются загрязнением обедненным ураном алюминиевого поддона, который требует очистки. Димилитаризация WA выгодна потому, что у него высокая стоимость лома. В конечном счете, при расчете всего жизненного цикла, общая стоимость WA версии оказывается на 1% выше снаряда с обедненным ураном.
Характеристики
Благодаря своей низкой пластичности и повышенному модулю упругости WA сердечник имел тенденцию ломаться на куски в носовой части или вдоль. Результатом повышения пластичности стержня является неэффективность пенетратора вследствие утолщения в носовой части и/или сильного изгибания. Целью является улучшение характеристик против специфических целей, и в качестве альтернативных путей выступает пара вариантов. Можно манипулировать механическими свойствами стержня, либо создать спереди стержня прекурсор, ослабитель, преференциальные борозды и т.д., стараясь минимизировать поломку сердечника.
Поведение DU пенетратора при пробитии броневого ряда существенно отличается от поведения вольфрамового аналога. Стержень из обедненного урана имеет тенденцию подвергаться абляции, проходя через броню. Его носик стирается на сравнительно тонкие участки, в то время как сам сердечник с эффективным фронтальным сечением продолжает движение. Хотя может наблюдаться незначительное изгибание стержня, продольный излом для него не характерен. Главными детерминантами поведения, присущего DU пенетратору, является высокая пластичность, высокая прочность и низкий модуль упругости.
Различия в характеристиках DU и WA сердечников показаны на рисунках 1 и 2.
Рисунок 1 сравнивает свойства двух материалов, когда происходили испытания с тяжелой одинарной целью НАТО (Heavy Single Target). Низкая предельная скорость приводит к повышению пробиваемости. График показывает, что преимущества DU не выражены в случае, когда пенетратор обладает низкой плотностью, малой массой и длиной. Фактически, при данных условиях график представляет разброс точек, согласно которым вольфрамовый сердечник превосходит соперника. При повышении плотности материала сердечника и соотношения длина/диаметр версия DU становится более эффективна.
Рисунок 1. Характеристика бронепробиваемости сердечников из двух материалов во время испытаний с тяжелой одинарной целью НАТО (Heavy Single Target).
Данная тенденция сильнее выражена, когда ряды целей становятся более сложными. На рисунке 2 представлен тяжелый тройной ряд НАТО (NATO Heavy Triple), и показано, что, не смотря на материал или геометрию пенетратора, DU превосходит WA. Это заключение в равной степени справедливо в случае противостояния современным, специальным броневым целям.
Рисунок 2. Характеристика бронепробиваемости сердечников из двух материалов во время испытаний с тяжелой тройной целью НАТО.
, как сусслик.
