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NPG 289 日本穿甲弹

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发表于 2024-5-9 22:53 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 seven_nana 于 2024-7-26 09:48 编辑

NPG 289 日本穿甲弹

本帖内容未经允许不得转载

原始文件的版权性质为公有领域(Public domain)



本文翻译自美国海军的官方报告,原件由坛友JeanBart提供,在此表示感谢。

这份报告,坛友JeanBart早些时候翻译过,链接:档案节选:NPG REPORT NO. 289日本穿甲弹

另外,堀川一男所著的【続・海軍製鋼技術物語】中,也对这份报告进行了解读,多年前我节译过,链接:美日德三国穿甲弹相关的补充资料

由于原始文件内容较多,故本贴中不会全部翻译,有意者可自行查阅帖后附带的原件。

黑色字体部分为原文内容的节译,红色字体部分为我添加的注释。



摘要

我们对日本8英寸(20cm)、14英寸(36cm)、16英寸(41cm)、18英寸(46cm)穿甲弹进行了冶金检测。我们还对日本8英寸和14英寸穿甲弹进行了弹道测试。日本穿甲弹的整体设计,并没有将对表面硬化装甲的穿透能力,放在最重要的地位。他们更强调稳定的水中弹道,以便击穿水线以下的装甲。这种炮弹入水后,风帽会在冲击力下脱离弹体,而尖顶形状的被帽头,同样也会在入水时脱离弹体,从而将穿甲弹上的平头部分暴露出来(对8英寸穿甲弹来说是平头弹体,对14英寸、16英寸、18英寸穿甲弹来说则是平头被帽),进而实现稳定的水下弹道。

日本8英寸穿甲弹,本质上属于通常弹(半穿甲弹),能有效对抗均质装甲,但无法有效对抗表面硬化装甲。而日本14英寸穿甲弹,则因为弹体碎裂,而无法在30度入射角下穿透美国13.5英寸表面硬化装甲。日本炮弹的弹体结构较弱,其背后的原因有很多,除了设计上的因素之外,还包括:弹体是铸造工艺生产的、弹体侧壁的厚度较薄、以及他们选择的硬化模式无法在装药腔区域实现尽可能高的韧性。

化学成分检测表明,这些炮弹并没有稀有金属元素短缺的问题。钢材是高合金成分的,弹带则是铜质的。作为对比,德国方面因为稀有金属元素短缺,使用了低合金成分的钢材,以及表面覆铜的铁质弹带。固定被帽的焊料,使用的是含镉的合金,其焊接温度要比铅锡合金低得多,焊接强度也很牢固,同时又不会对被帽的侧面区域造成负面影响(如果焊接温度太高的话,会对被帽的硬度造成影响)

我们基于对炮弹实物的测绘,完成了图纸的绘制工作,并借此补全了日本方面未能提供的信息。

引言

日本海军的穿甲弹,是在吴海军工厂生产的。在日本投降之后,通过USNTMJ(海军技术任务 - 日本部分),我们对吴海军工厂进行了调查,并基于对工厂设施的检验以及对日方人员的审问,就日本穿甲弹话题撰写了一份报告(USNTMJ O-19)。穿甲弹相关的日本官方资料,已经被销毁或遗失了,但通过这项调查,我们在穿甲弹的制造和验收方面,获得了详尽的信息。

海军验收场在收到日本炮弹后,仔细查看了这些炮弹,并对其进行了弹道测试和冶金检测。

对日本8英寸和14英寸穿甲弹进行弹道测试的目的,是将这些炮弹的穿甲性能,与美国以及其他国家的穿甲弹进行比较。除此之外,我们还在8英寸、14英寸、16英寸、18英寸穿甲弹中,各挑选了1发进行冶金检测,一方面是作为USNTMJ的补充信息,另一方面也是为了完善穿甲弹相关的资料,以便就各种不同的穿甲弹的设计与制造工艺进行对比。

特征描述

日本穿甲弹(指九一式穿甲弹,下同)的基础设计,USNTMJ O-19中已经给出了描述。整体来说,日本穿甲弹拥有以下几项特征:

可分离的被帽:这个设计特征,使得炮弹在入水后,能够将平头部分暴露出来,进而实现稳定的水下弹道。另外,在入射角较大的情况下,例如击中甲板装甲时,被帽头可能也会与风帽一起,在撞击时发生脱落。

较大的装药腔:这个特征,实际上是强加在日本炮弹设计师身上的一个缺点,因为日本方面使用的TNA装药是相对比较敏感的,因此为了避免装药在冲击下自行起爆,装药腔中有大约1/3到1/2的空间,是用来布置能够吸收冲击力的缓冲材料的。

其他特征:穿甲弹的弹体是船尾形状的,风帽是钢制的,弹带是铜质的。装药腔的内部,涂有一层黑色的沥青漆。

8英寸的日本穿甲弹,本质上是一种弹头部分可与本体分离的通常弹(如果把被帽头和弹体视为一体的话,那么被帽头的位置就相当于弹头部分)

日本穿甲弹的设计指标:

炮弹型号炮弹长度弹体长度炮弹重量被帽重量被帽重量系数被帽头重量被帽头重量系数风帽重量风帽重量系数装药量装填系数装药/装药腔容积比
日本8英寸穿甲弹(20cm 九一式)35.75英寸24.1英寸277磅--8.5磅3%8.7磅3%6.85磅2.5%51%
日本14英寸穿甲弹(36cm 九一式)60.5英寸38.2英寸1,480磅155磅10.5%37磅2.5%37磅2.5%24.5磅1.7%67%
日本16英寸穿甲弹(41cm 九一式)68.5英寸43.3英寸2,242磅238磅10.5%54磅2.5%56磅2.5%32.8磅1.5%61%
日本18英寸穿甲弹(46cm 九一式)77英寸47.8英寸3,215磅404磅12.5%111磅3.5%80磅2.5%52.6磅1.6%67%

从上述指标中可以看到:① 46cm穿甲弹的被帽和被帽头的重量系数,都要大于36cm和41cm,这显示出了它们之间的设计存在差异 ② 这些日本炮弹的装填系数并不高,但装药在装药腔中占据的容积是比较小的,尤其是20cm穿甲弹的装药,仅占据了装药腔容积的51%。

日本及其他国家的大口径穿甲弹的对比

我们将14英寸和16英寸日本穿甲弹,与其他国家的穿甲弹进行了对比,具体情况见下表。

美英日三国的14英寸穿甲弹的对比

炮弹型号弹重被帽重量系数装填系数弹体长度
美国14英寸Mark 16 Mod 8型穿甲弹1,500磅10.3%1.5%36.5英寸
英国14英寸穿甲弹1,595磅9.8%2.5%42.7英寸
日本14英寸穿甲弹(36cm 九一式)1,480磅13.0%1.7%38.2英寸

美德日三国的16英寸穿甲弹的对比

炮弹型号弹重被帽重量系数装填系数弹体长度
美国16英寸Mark 8 Mod 型穿甲弹2,700磅11.6%1.5%49.8英寸
德国16英寸穿甲弹(40.6cm L/4.4)2,270磅16.0%2.5%45.8英寸
日本16英寸穿甲弹(41cm 九一式)2,242磅13.0%1.5%43.3英寸

通过对比表格可以看出,日本大口径穿甲弹的装填系数,只是略高于美国穿甲弹。不过,日本海军使用的TNA炸药,威力也要比我们的D炸药略强一些。另一方面,日本炮弹的装药腔内的缓冲材料所占据的额外空间,导致了弹体侧壁的厚度较薄,因此增加了这种炮弹在击中装甲后,出现弹体碎裂的概率。

基于USNTMJ O-19中给出的建议,海军验收场对日本炮弹实物进行了测绘,以下是这些炮弹的测绘图纸。其中值得一看的细节是,位于风帽底部的、用来让被帽头脱离弹体的螺纹和凹槽,以及8英寸穿甲弹内部的缓冲材料的图纸。另外,下文中还给出了8英寸穿甲弹的缓冲材料的照片。大口径炮弹的缓冲材料,可能是在卸货过程中遗失了。

九一式穿甲弹配备有弹底引信,型号为一三式五号,其延迟时间为0.4秒。这个相对较长的延迟设置,是为了让炮弹有足够的时间在水中前进,并最终击穿装甲。

日本8英寸穿甲弹的美方测绘图纸:

从图纸中可以看到,日本8英寸穿甲弹的弹体是平头形状的,被帽头则是尖顶形状的,且被帽头与弹体之间的结合非常不牢固,仅仅是依靠风帽上的螺纹来将三者固定在一起。

在入水时,风帽与被帽头会脱离弹体,而平头弹体则能够获得更为稳定的水中弹道。在大角度入射时,风帽和被帽头也会脱离弹体,而平头弹体则能更高效的对抗装甲。




日本14英寸穿甲弹的美方测绘图纸:

从图纸中可以看到,日本14英寸穿甲弹的弹体是尖头形状的,其外侧覆盖有平头的被帽,而被帽上方还有一个穹顶形状的被帽头。被帽与弹体之间的结合是与其他国家的穿甲弹类似的,而被帽头与被帽之间的结合非常不牢固,仅仅是依靠风帽上的螺纹来将三者固定在一起。

在入水时,风帽与被帽头会脱离弹体,而带有平头被帽的弹体则能够获得更为稳定的水中弹道。在大角度入射时,风帽和被帽头也会脱离弹体,而带有平头被帽的弹体则能更高效的对抗装甲。




日本16英寸穿甲弹的美方测绘图纸:

从图纸中可以看到,日本16英寸穿甲弹的设计,与14英寸穿甲弹是相同的。



日本18英寸穿甲弹的美方测绘图纸:

从图纸中可以看到,日本18英寸穿甲弹的设计,与14英寸和16英寸穿甲弹是不同的,前者的被帽和被帽头的厚度都更大。



日本8英寸穿甲弹的剖面照片:

从照片中可以看到,这款炮弹的装药腔尺寸非常大,其内部有大量的起到缓冲作用的材料。



弹道测试结果

我们仅对8英寸和14英寸的日本穿甲弹进行了弹道测试,原因是只有这两种炮弹的口径,与美国火炮的口径相吻合。

日本8英寸穿甲弹

8英寸的日本穿甲弹,无法有效对抗表面硬化装甲,但在对抗均质装甲时,表现比美国穿甲弹更优秀。

日本8英寸穿甲弹及美国8英寸穿甲弹的弹道测试结果对比:

装甲板入射角度
弹道极限(经验式比值)
美国8英寸Mark 19 Mod 6型穿甲弹美国8英寸Mark 21 Mod 3型穿甲弹美国8英寸Mark 21 Mod 5型穿甲弹日本8英寸穿甲弹(20cm 九一式)
6.3英寸表面硬化装甲,No. AC57,卡内基30度113±1%-108±1%>119%
5英寸均质装甲,No. TT456,卡内基35度111±1%109.5-110.5%106±1%99-100%

注释:所谓的经验式比值,指的是美国海军穿甲计算经验公式算出的弹道极限,与实际的弹道极限之间的比值。关于该计算公式的具体介绍,详见美国海军的穿甲计算公式

USNTMJ O-19中的资料显示,日本8英寸穿甲弹,只使用均质装甲进行弹道测试,具体测试条件是:① 在最高30度的入射角下,对抗6.5英寸装甲 ② 在最高45度的入射角下,对抗5.5英寸和3.9英寸装甲。在对抗采用表面硬化装甲的军舰时,日方显然需要将水中命中或水平装甲命中,作为主要的攻击手段。

根据NPG 101 德国穿甲弹中的记录,德国8英寸穿甲弹(20.3cm L/4.4),在上述两种测试条件下的弹道极限,分别是106±1%(30度,表面硬化装甲)和102±1%(35度,均质装甲)。这款德国炮弹,相当于同时具备了美国8英寸Mark 21 Mod 5型穿甲弹的表面硬化装甲穿透能力和日本8英寸穿甲弹的均质装甲穿透能力,但应该不具备日本九一式穿甲弹的水中弹能力。

日本8英寸穿甲弹的弹道测试的细节 - 表面硬化装甲

命中编号经验式比值炮弹穿透程度装甲板背面的穿孔尺寸注释
33706110.9%未能穿透9.75×10英寸炮弹碎裂
33709115.4%未能穿透8.5×9.75英寸炮弹碎裂
33714119.0%未能穿透8×9.5英寸炮弹碎裂

日本8英寸穿甲弹的弹道测试的细节 - 均质装甲

命中编号经验式比值炮弹穿透程度装甲板背面的穿孔尺寸注释
33702110.0%完整穿透8×8英寸炮弹能够有效起爆
33703102.3%完整穿透8×8英寸炮弹能够有效起爆,弹体轻微扭曲
3370498.5%未能穿透5.5×7.25英寸炮弹能够有效起爆

注释:按照美国海军的标准,若是炮弹完整穿过装甲并落在其后方,或弹体在穿甲过程中碎裂,但大部分碎块穿过装甲并落在其后方,那么便视作完整穿透。

日本14英寸穿甲弹

在30度入射角下对抗13.5英寸表面硬化装甲时,日本14英寸穿甲弹的性能,要显著逊色于美国Mark 16 Mod 8型穿甲弹,前者的弹体结构弱点,在测试中展现地非常明显。

日本14英寸穿甲弹及美国14英寸穿甲弹的弹道测试结果对比:

装甲板入射角度
弹道极限(经验式比值)
美国14英寸Mark 16 Mod 8型穿甲弹日本14英寸穿甲弹(36cm 九一式)
13.5英寸表面硬化装甲,No. 13345,米德维尔30度98-99%远高于101.5%

注释:这组测试中,美国炮弹的经验式比值偏高,其他同类测试中通常是90%左右,这里却达到了98-99%。考虑到弹道极限至少是用2发炮弹测得的,因此连续2发炮弹的质量都比较差而导致经验式比值偏高的可能性相对较小,换句话说,大概率是装甲质量特别好而导致了这组测试的经验式比值偏高。

日本14英寸穿甲弹的弹道测试的细节

命中编号经验式比值炮弹穿透程度装甲板背面的穿孔尺寸注释
3373097.0%未能穿透10.5×12英寸炮弹碎裂,弹底部分脱落
33731101.5%未能穿透12×18英寸炮弹碎裂,弹底部分脱落

日本穿甲弹的碎裂程度非常严重,因此我们认为,这款炮弹无法在这块装甲上测出弹道极限。

基于USNTMJ O-19中的资料,我们估计,在小角度下对抗大厚度表面硬化装甲时,日本14英寸穿甲弹与美国14英寸Mark 16 Mod 8型穿甲弹的性能差距,至少也有5%。从日方的测试规格来看,日本14英寸穿甲弹能在最高16.5度的入射角下,成功穿透他们的16.1英寸表面硬化装甲;或者在最高30度的入射角下,成功穿透他们的13英寸表面硬化装甲。另外,他们还会在最高55度的入射角下,测试4.9英寸均质装甲。这个测试条件中所设定的大角度,可能是为了在弹体接触装甲之前,就让风帽和被帽头与弹体分离,从而模拟出水中弹的攻击特性。与我国的测试规格相比,日方测试中的装甲厚度更大,其原因与NPG 5-47 日本装甲中报告的日本装甲的质量相对较差有关。

这款14英寸穿甲弹,体现出了日本大口径穿甲弹的整体设计特征:锥形的被帽头、平头的被帽、再搭配尖头的弹体。显然,为了让大口径炮弹获得水中弹能力,从而对抗舰体水下区域的薄弱防护,日本方面在对抗大厚度表面硬化装甲的性能上作出了一定的牺牲。而18英寸穿甲弹上的更硬且更重的被帽头,则体现出了USNTMJ O-19中所介绍的,日本方面在炮弹的基础设计上所作出的改进。

化学成分

在制造穿甲弹所需的稀有金属元素或合金材料上,日本方面并没有存在严重的短缺问题。例如,他们的炮弹使用了高镍含量的钢材,弹带则是铜制的(而没有像德国人那样采用替代材料)

日本8英寸穿甲弹,是使用碳含量0.6%、镍含量3%、铬含量2.5%的钢材制造的。而14英寸、16英寸、18英寸穿甲弹,则是使用碳含量0.5%、镍含量3.5%、铬含量1%、钼含量0.5%的钢材制造的。弹底栓则是使用碳含量0.3%、镍含量3.5%、铬含量1%的钢材制造的。除了大口径炮弹的低铬含量和高钼含量之外,日本穿甲弹所使用的钢材,与我国以及其他国家并无明显差异。我们认为,他们之所以在大口径炮弹上降低铬含量、提高钼含量,应该是为了降低热处理过程导致的回火脆性。

日本穿甲弹的化学成分:

弹体部分
日本8英寸穿甲弹(20cm 九一式)0.64%0.39%0.009%0.016%0.18%3.03%2.40%-0.20%0.23%
日本14英寸穿甲弹(36cm 九一式)0.56%0.39%0.009%0.011%0.20%3.47%0.80%0.58%0.15%0.20%
日本16英寸穿甲弹(41cm 九一式)0.52%0.33%0.012%0.012%0.20%3.66%0.80%0.65%0.16%0.24%
日本18英寸穿甲弹(46cm 九一式)0.57%0.33%0.009%0.014%0.20%3.45%0.93%0.55%0.16%0.26%

被帽部分
日本14英寸穿甲弹(36cm 九一式)0.55%0.52%0.008%0.012%0.22%3.43%0.79%0.61%0.15%0.25%
日本16英寸穿甲弹(41cm 九一式)0.56%0.37%0.012%0.017%0.19%3.95%0.83%0.63%0.18%0.23%
日本18英寸穿甲弹(46cm 九一式)0.60%0.32%0.011%0.014%0.19%3.36%0.96%0.55%0.16%0.34%

被帽头部分
日本8英寸穿甲弹(20cm 九一式)0.62%0.47%0.008%0.021%0.20%2.56%2.34%0.07%0.16%0.19%
日本14英寸穿甲弹(36cm 九一式)0.58%0.41%0.008%0.012%0.23%3.40%0.86%0.58%0.16%0.29%
日本16英寸穿甲弹(41cm 九一式)0.61%0.28%0.010%0.015%0.20%3.72%0.80%0.64%0.19%0.18%
日本18英寸穿甲弹(46cm 九一式)0.57%0.33%0.010%0.015%0.20%3.43%0.96%0.49%0.17%0.40%

美英德日四国大口径穿甲弹的化学成分对比:

炮弹/化学元素
美国8英寸Mark 21 Mod 5型穿甲弹0.64%0.43%0.18%0.18%0.38%3.38%2.22%0.80%-0.09%
英国14英寸穿甲弹0.55%0.15%0.15%0.26%0.21%2.65%2.43%0.09%-0.13%
德国8英寸穿甲弹(20.3cm L/4.4)0.55%0.30%0.10%0.12%0.29%0.71%2.28%0.25%0.14%0.09%
德国16英寸穿甲弹(40.6cm L/4.4)0.63%0.51%0.15%0.23%0.34%2.62%2.52%0.21%0.23%0.19%
日本8英寸穿甲弹(20cm 九一式)0.64%0.39%0.09%0.16%0.18%3.03%2.40%--0.20%
日本14英寸穿甲弹(36cm 九一式)0.56%0.39%0.09%0.11%0.20%3.47%0.80%0.58%-0.15%

我们对日本18英寸穿甲弹的弹体不同区域的化学成分进行了仔细的检测。我们发现,其弹体基本上就是一个毛胚铸件构造,不同区域的化学成分几乎是不存在差异的。

日本18英寸穿甲弹的弹体不同区域的化学成分差异:



我们对这些炮弹的弹体、被帽、以及被帽头部分进行了酸溶铝检测,结果显示,钢材中的铝含量在0.02-0.04%之间。

日本炮弹上的风帽,是由碳含量0.35%、锰含量0.5%的钢材制成的。有些风帽样本中含有少量的合金元素,但含量并不高。

用来固定被帽的焊料,是锡铅镉合金,三者的含量分别是50%、32%、18%,其熔点是310℉。作为对比,我国的含铋元素的低温焊料,熔点只有220℉。不过,由于日方焊料的锡含量高,因此其牢固程度可能会高很多。日方在安装被帽时,并没有依靠卡扣,而是完全依赖焊接来固定。

日本穿甲弹的弹带,使用的是脱氧铜材质。另外,其弹底栓封闭环也是铜质的。

日本8英寸穿甲弹的装药腔内的缓冲材料里,有一个金属碟,其材质是高张力钢,碳含量为0.30%。

硬度分布

从日本穿甲弹的硬度分布上可以看出,他们使用的是英式的穿透硬化模式。弹体硬度是自上而下降低的,其变化方向与弹体轴心是平行的。相比之下,美国穿甲弹采用的是鞘式硬化,弹体硬度是沿着弹体前部的法线方向发生变化的。根据USNTMJ O-19中的说法,日本人曾经研究过英国哈德菲尔德公司的老款的穿甲弹,而日本炮弹现有的硬化模式,就是在模仿英国炮弹的基础上发展而来的。被帽和被帽头的分离式设计,似乎是基于日本海军高层的战术计划而发展出来的。

USNTMJ O-19中,已经就日本海军穿甲弹的热处理方式给出了介绍,可以将其归纳为:

弹体:加热过程是在燃气熔炉中完成的,8英寸穿甲弹的弹体是油淬火的,并且是整个弹体全程泡在油中进行淬火的。而大口径穿甲弹则是水淬的,且会采用渐减式的淬火处理,过程中弹体会逐渐离水,最终只有弹头部分会浸泡在水中。接下来,8英寸穿甲弹的弹头部位,会浸泡在750℉的液态铅中;而大口径炮弹的弹头部分,则会在沸水中进行长时间浸泡。

被帽:大口径穿甲弹的平头被帽,是在隔热炉中加热的,随后会进行渐减式的水淬。被帽的侧边区域,会浸泡在液态铅中进行回火。

被帽头:被帽头几乎是没有硬度变化的,其热处理方式,先是在液态铅中浸泡,随后会进行油淬和空气冷却。

日本8英寸穿甲弹的硬化分布特征

如果我们将日本8英寸穿甲弹上的被帽头,视为弹体上的一部分的话,那么这个被帽头与弹体的合体结构,可以被归类为通常弹,且其硬化分布特征符合英式的穿透硬化模式(因为被帽头的硬度最大,弹头部分次之,随后硬度逐渐下降)。并且,在入射角接近0度的情况下,该弹的被帽头和弹体,可能的确会表现得如同两者合为一体。

在入射角较大,或者炮弹入水的情况下,被帽头与会弹体分离,随后露出平头弹体。我们估计,在面对厚度不超过炮弹口径的一半的均质装甲时,这款炮弹应该能取得相当不错的穿透能力。

日本8英寸穿甲弹的设计,与美国8英寸Mark 21 Mod 5型穿甲弹存在明显的差异。

日本8英寸穿甲弹的布氏硬度分布情况:



日本14英寸、16英寸穿甲弹的硬化分布特征

除了两段式的被帽设计之外,这些日本炮弹的设计,与美国穿甲弹没有太明显的区别。从下表中可以看出,这些日本炮弹的被帽和弹头拥有比较高的硬度。

美日两国的大口径穿甲弹的不同区域的硬度数据:

测试位置/布氏硬度被帽头顶部被帽顶部弹头区域弹底区域
美国14英寸Mark 16 Mod 8型穿甲弹-555555269
美国16英寸Mark 8 Mod 6型穿甲弹-555555286
日本14英寸穿甲弹(36cm 九一式)600578600302
日本16英寸穿甲弹(41cm 九一式)600578600302
日本18英寸穿甲弹(46cm 九一式)627578600321

在入射角接近0度的情况下,被帽头和被帽,可能的确会表现得如同两者合为一体。在这种情况下,这些炮弹的硬度分布是比较合理的,面对表面硬化装甲时,可能会取得比较好的穿甲性能。由于日本18英寸穿甲弹的被帽硬度更高、重量也更大,因此其穿甲表现,无疑会优于14英寸和16英寸穿甲弹。

在入射角增大到足以使被帽头与被帽分离,使得平头被帽暴露出来的情况下,这些炮弹对抗表面硬化装甲的能力会下降,但在对抗均质装甲时,可能仍然能取得相对较好的表现。

日本14英寸穿甲弹的布氏硬度分布情况:



日本16英寸穿甲弹的布氏硬度分布情况:



日本18英寸穿甲弹的布氏硬度分布情况:

报告原文中显示,美国人是有绘制日本46cm 九一式穿甲弹的布氏硬度分布图的,但我得到的这份档案中缺失了这张图。

不过,堀川一男所著的【続・海軍製鋼技術物語】中,给出了日本46cm 九一式穿甲弹的布氏硬度分布图,链接:美日德三国穿甲弹相关的补充资料


四款日本穿甲弹的布氏硬度分布情况对比:

从图中可以看到,20cm穿甲弹的弹体硬度,要低于36cm、41cm、46cm穿甲弹。



美英日三国穿甲弹的硬度分布的对比

日本大口径穿甲弹的弹体部分的硬度分布,与NPG 4-47 英国穿甲弹中的哈德菲尔德公司生产的穿甲弹是比较类似的,区别在于,日本穿甲弹上的350BHN的分布线,要更靠近弹底区域。英国方面宣称,卡尔多纳德皇家兵工厂生产的穿甲弹的硬化区域有所扩大,从而取得了比哈德菲尔德公司生产的穿甲弹更好的表现。但是,日本方面似乎没有在扩大硬化区域方面取得显著的进展。需要再次强调的是,由于日本方面更强调水中弹的性能,因此在对表面硬化装甲的穿甲性能方面,他们似乎并没有付出较大的努力。

美英日三国的14英寸穿甲弹的布氏硬度分布情况对比:



机械性能

总体来说,日本穿甲弹所用的钢材,冲击强度都不算很高,但这个结果也与这些炮弹的弹底部位的硬度较高有关。日本8英寸和14英寸穿甲弹,在0℃下出现了部分颗粒级破损,这可能意味着这些钢材相对较脆。冲击测试中产生的所有纤维级破损,都带有木纹般的外观,这意味着钢材的同质性比较差,其原因可能是粗糙的铸造工艺。日本18英寸穿甲弹的弹底部位,在-78℃下只出现了25%的颗粒级破损,这可能意味着其钢材具备较好的冲击属性,但由于冲击强度的结果较差,且破损部分展现出了奇怪的木纹感,因此我们难以判定其优劣。

另一方面,从屈服强度数据来看,虽然其弹底部分的强度较高,但在韧性方面则不如绝大部分的穿甲弹。

有鉴于这些大口径穿甲弹所表现出的相对较差的冲击强度和较低的韧性,如果其击中装甲时受到了巨大的压力,那么其弹体后段部分可能会碎裂。

日本四款九一式穿甲弹的弹底部分样本的简支梁冲击强度测试结果:

可以看到,46cm穿甲弹在低温环境下的冲击强度测试结果,要优于其他几款炮弹。



日本16英寸与18英寸穿甲弹的弹底部位的纵向机械性能测试结果的平均值:

炮弹屈服强度(磅/平方英寸)抗拉强度(磅/平方英寸)伸长率断面收缩率
日本16英寸穿甲弹(41cm 九一式)113,000140,00016%33%
日本18英寸穿甲弹(46cm 九一式)129,500154,00016%41%

至于上述测试部位的硬度数据,16英寸穿甲弹是302BHN,18英寸穿甲弹则是321BHN,

结论

我们对日本8英寸(20cm)、14英寸(36cm)、16英寸(41cm)、18英寸(46cm)穿甲弹进行了冶金检测。我们还对日本8英寸和14英寸穿甲弹进行了弹道测试。日本穿甲弹的整体设计,并没有将对表面硬化装甲的穿透能力,放在最重要的地位。他们更强调稳定的水中弹道,以便击穿水线以下的装甲。这种炮弹入水后,风帽会在冲击力下脱离弹体,而尖顶形状的被帽头,同样也会在入水时脱离弹体,从而将穿甲弹上的平头部分暴露出来(对8英寸穿甲弹来说是平头弹体,对14英寸、16英寸、18英寸穿甲弹来说则是平头被帽),进而实现稳定的水下弹道。

日本8英寸穿甲弹,本质上属于通常弹(半穿甲弹),能有效对抗均质装甲,但无法有效对抗表面硬化装甲。而日本14英寸穿甲弹,则因为弹体碎裂,而无法在30度入射角下穿透美国13.5英寸表面硬化装甲。日本炮弹的弹体结构较弱,其背后的原因有很多,除了设计上的因素之外,还包括:弹体是铸造工艺生产的、弹体侧壁的厚度较薄、以及他们选择的硬化模式无法在装药腔区域实现尽可能高的韧性。

化学成分检测表明,这些炮弹并没有稀有金属元素短缺的问题。钢材是高合金成分的,弹带则是铜质的。作为对比,德国方面因为稀有金属元素短缺,使用了低合金成分的钢材,以及表面覆铜的铁质弹带。固定被帽的焊料,使用的是含镉的合金,其焊接温度要比铅锡合金低得多,焊接强度也很牢固,同时又不会对被帽的侧面区域造成负面影响(如果焊接温度太高的话,会对被帽的硬度造成影响)

我们基于对炮弹实物的测绘,完成了图纸的绘制工作,并借此补全了日本方面未能提供的信息。

原始报告
























































中将

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 楼主| 发表于 2024-5-9 22:55 | 显示全部楼层
本帖最后由 seven_nana 于 2024-10-24 17:55 编辑

补充资料:吴海军造兵部史料集成

吴海军造兵部史料集成(下卷)的第686-687页,有一段大川邦之助(海军兵学校48期,最终军衔海军大佐)的回忆录内容,可以作为本篇的补充。

以下是针对此内容的简单概括:

1、昭和10年(1935年)时,作者担任了穿甲弹研究实验主任,负责46cm穿甲弹的研究实验。原先的36cm和41cm 九一式穿甲弹,在入射角超过25度的情况下对抗板厚为弹径的0.9倍的装甲时,会由于弹体破碎的原因,导致无法穿透装甲。因此作者在46cm穿甲弹上,致力于让炮弹能在30度入射角下也能有效穿透装甲。他的做法是加强了被帽,从而提升了其对表面硬化装甲的硬化层的破坏能力。

2、昭和10年(1935年)时,日本海军中已经有大约1万发91式穿甲弹的库存了。然而,这些91式穿甲弹,在被帽固定方面是存在问题的。火炮发射时的冲击力,有时候会导致被帽从弹体上脱落,进而导致炮弹射程大幅缩短。发现了这个问题之后,作者试图对这个问题进行改进,并拜托制钢部弹丸主任研发高强度的焊料。经过四个月的努力,新研发出的焊料,强度大约是原先的3倍,但海军高层却拒绝对这个问题进行改进。

3、直到昭和14年(1939年),海军计划在91式穿甲弹上增加染色剂。借着这个机会,日本海军终于对被帽的固定问题进行了修正。

4、另一方面,昭和11年(1936年)时,日本海军使用20cm 九一式穿甲弹,对老式的外国5英寸装甲进行了打靶测试,但因为弹体强度不足而发生碎裂,导致无法击穿装甲。于是,日本海军在46cm穿甲弹的基础上,通过缩放比例试制了20cm穿甲弹,并将其命名为20cm 九一式穿甲弹改一。然而这款炮弹并未得到量产。







神教点评

基于以上测试结果和补充资料,以及USNTMJ O-19中的描述,我们可以得出以下几个观点:

1、日本20cm穿甲弹,对抗均质装甲的能力相当优秀,但在对抗表面硬化装甲的能力是相当差的。如同美国测试报告所说,这款炮弹实际上相当于半穿甲弹。

2、从美国测试来看,在30度入射角下对抗T/D比小于1的装甲时,日本36cm穿甲弹的表现是非常差的。在类似的测试条件下,美国和英国14英寸穿甲弹都能以有效起爆的状态穿透装甲,而日本14英寸炮弹却做不到,这意味着这款炮弹的有效起爆穿甲能力,要逊色于同时代的其他国家的穿甲弹。考虑到41cm穿甲弹的设计与热处理,都是与36cm穿甲弹类似的,因此41cm穿甲弹恐怕也难逃这项缺陷。

3、从日方自己的验收测试规格来看,在30度入射角下对抗T/D比小于1的装甲时,日本46cm穿甲弹能以有效起爆的状态穿透装甲,这显然是优于36cm和41cm穿甲弹的。其原因在于,46cm穿甲弹的设计特征及热处理方式,相比36cm和41cm穿甲弹作出了改进。前者的被帽和被帽头的重量更大、硬度也更大,并且从实测数据来看,其弹体部分的机械性能似乎也要更好一些。由于这些缘故,46cm穿甲弹具备更强的穿甲性能。但如果将入射角提高到33度甚至37度的话,日本46cm穿甲弹的弹体碎裂的概率就会大幅提升。

4、日本穿甲弹有不少缺陷,包括:铸造弹体、钢材韧性不佳等。但最为致命的,是其较为敏感的装药,导致了设计师不得不在装药腔内填充大量缓冲材料,进而导致装药腔的容积大幅增加,因此导致了弹体侧壁的厚度较薄。正是因为这个缺陷,使得日本穿甲弹成为了美国海军所测试的美英德日四国穿甲弹中,最容易在穿甲过程中出现弹体碎裂现象的炮弹。

5、在对抗表面硬化装甲时,这些炮弹的表现是参差不齐的,其中20cm的性能非常糟糕,36cm和41cm的性能并不理想,46cm的性能相对较好,但也达不到国际领先水准。不过,考虑到其平头弹体或平头被帽的设计,这些炮弹在对抗水平装甲时的能力是可以期待的,只可惜美国海军并未在这方面开展实弹测试。

6、日本炮弹的最大优势,是其独特的水中弹能力。凭借这个能力,日本炮弹可以对美英德三国的炮弹取得非对称性的优势。

上士

三年服役纪念章海军及海军陆战队勋章

发表于 2024-5-10 12:03 | 显示全部楼层
本帖最后由 JeanBart 于 2024-5-13 22:30 编辑



关于日本九一式穿甲弹,平贺让电子档案馆里这份《亀ヶ首発射成績の独より購入甲鉄》有可能是目前仅有的日方大口径九一弹的测试结果记录。

这个测试的背景是日本从德国购买了420mm的KC表面渗碳硬化装甲了254mm的KNC均质装甲,在1935-1937年间使用五年式36cm炮(实际口径48cm)开展射击测试,同日本的VC和NVNC装甲进行对比,同时也基于德国装甲开发含钼的新式均质装甲并进行了对比测试。

根据时间、化学成分以及Okun关于各国装甲的介绍文章,日本人买到的这块420mm KC,应该就是德国的KC n/a装甲,而那块称为KNC的均质装甲不太能确定德国方面具体的对应材质,应当是Wh n/a装甲。

对这些装甲的测试使用的是五年式36cm炮,实际口径48cm,炮弹应当为参考36和40cm九一式穿甲弹设计的48cm九一式穿甲弹,弹重1651.6kg。考虑到46cm穿甲弹是后续开发出来、在验收测试中不断调整测试规格和被帽工艺才最终完成30°验收,这个时候的48cm九一式穿甲弹可能没有应用46cm九一式穿甲弹的改进,代表的是36cm和40cm九一式穿甲弹的表现。

对420mm KC和427mm VC装甲的测试结果如下:
测试日期 靶板厚度和型号 着角 着速 美国经验公式比值 测试结果 均衡击速 美国经验公式比值
昭和12-2-1 420 KC 23°00' 384.6 79.37% 头贯 反跳 弹尖小裂 395 81.52%
23°05' 418.3 82.26% 正贯 弹尖小裂 395 81.45%
昭和10-11-16 427 VC 23°50' 385 77.76% 头贯 反跳 弹完 395 79.78%
23°40' 422.9 85.57% 正贯 弹完 395 79.92%
昭和12-2-5 420 KC 36°20' 502.8 87.03% 尖穿 反跳 弹体碎 520 90.01%
36°10' 538.5 93.47% 压贯 反跳 弹碎 520 90.26%
昭和10-11-15 427 VC 36°20' 495.3 84.52% 头穿 反跳 弹碎 510 87.03%
36°40' 525.5 89.19% 压贯 弹碎 510 86.54%

根据这些测试数据,德国的这块KC装甲,在弹道极限上要比日本的VC装甲略优。根据佐佐川清一篇《装甲飯製造についての回顧録》,48cm炮36.5°射击427mm VH装甲时的射击速度是520m/s,和这块420 KC装甲相同,也就是说德国KC装甲要略优于VH装甲,也要优于新式的VC装甲。
在23°射击T/D比0.875-0.89的装甲时,48cm九一式穿甲弹可以在美国经验公式比值82%左右就打出正贯能够起爆,被弹回的炮弹也能保持可起爆状态,这个表现比USNTMJ O-19报告里的36cm和40cm九一弹20°约100%比值的验收成绩好得多。
但是角度增大到36.5°后,4发测试弹全部破碎,最佳表现也只是打出压贯,说明在T/D比接近0.9的情况下,48cm九一式穿甲弹确实在36.5°着角存在弹体破碎问题,可以印证《呉海軍工廠造兵部史料集成》中关于36cm和40cm九一式穿甲弹在大于25°法线角射击厚度0.9D装甲时因弹体破碎无法打出完整穿透的描述。

对254mm KNC和NVNC装甲的测试结果如下:
测试日期 靶板厚度和型号 着角 着速 美国经验公式比值 测试结果 均衡击速 美国经验公式比值
昭和11-10-2 254 KNC 59°00' 487.7 78.96% 滑痕 纵Crack 弹逸 515 83.38%
昭和12-2-1 58°10' 488.4 81.07% 滑裂 纵大Crack 弹逸 515 85.48%
昭和10-11-15 254 NVNC 58°00' 491.7 82.01% 滑头贯 弹碎 505 84.23%

根据测试结果,德国的这块KNC装甲,也要比日本的NVNC装甲更好。在0.53T/D比58°左右的着角下,48cm九一式穿甲弹可以在82%经验公式比值下对NVNC装甲打出头贯,但是81%左右的经验公式比值下只对德国KNC装甲打出滑裂。三次测试中,弹体都严重受损,打击NVNC装甲的时候弹体直接破损,这个有点类似于英国穿甲弹的测试情况——在被甲板装甲弹开时,英国穿甲弹容易因弹体损伤而无法起爆或在撞击中自爆。



日本海军此时的装甲板是不含钼元素的,在测试德国这些含钼装甲后,日本海军也尝试制造了一些含钼的试验装甲以提升均质装甲的大角度防弹性能,并最终开发出了“大和”型使用的MNC均质装甲。

这份日本文件里,记录了4块含钼试验装甲,分别编号以A1、A2、B1和B2,厚度均为254mm,其中编号A的2块板含钼量0.5%,编号B的2块板含钼量0.3%。这些装甲板使用48cm九一式穿甲弹进行测试。

这些含钼试验装甲的测试结果如下:
测试日期 靶板厚度和型号 着角 着速 美国经验公式比值 测试结果 均衡击速 美国经验公式比值
昭和12-2-3 254 A1 58° 490.3 81.78% 滑 头贯 弹逸 弹底碎 505 84.23%
254 B2 58° 500.4 83.47% 滑 头穿 弹逸 弹底碎 520以上 86.74%
254 B1 58° 493.8 82.37% 滑痕 弹逸 弹底碎 520以上 86.74%
254 A2 58° 490.3 81.78% 滑 头贯 弹底碎 495 82.57%

根据测试结果,板A1的弹道极限和NVNC装甲相等,板A2的弹道极限比NVNC装甲低10m/s,板B1和B2则比NVNC装甲高15m/s以上。

本页的底部给出了40cm九一式穿甲弹射击VH、VC、NVNC以及B1、B2装甲的弹道极限简要对比,详细的测试结果则在另一页给出。



40cm九一式穿甲弹的测试结果如下:
测试日期 靶板厚度和型号 着角 着速 美国经验公式比值 测试结果 均衡击速 美国经验公式比值
昭和12-3-6 254 VH 55°00' 519.9 83.76% 滑 头贯 弹体碎 520 83.78%
昭和10-7-3/5 254 VC 54°40' 460.4 74.85% 滑裂 弹逸完 520 84.54%
254 VC 54°40' 563.8 91.67% 压贯 弹头碎 520 84.54%
254 VH 54°40' 461.3 75.00% 头穿 弹碎 520 84.54%
254 VH 54°30' 523.6 85.51% 头贯 大破孔 弹碎 520 84.93%
昭和10-8-27 254 NVNC 55°05' 515.5 82.87% 头贯 弹底破 520 83.59%
昭和12-3-5 254 B1 55° 518.7 83.57% 565 91.03%
254 B2 55° 518.4 83.52% 535 86.20%

根据日本海军的分析,此厚度此着角上,VH、VC和NVNC装甲的弹道极限是基本一致的,除了一发较低速度射击VC装甲的炮弹外,其余炮弹全部破损或破碎。2块含钼试验装甲没有给出测试结果详情,但这2块装甲的弹道极限明显要高于VH、VC和NVNC装甲,推测是损伤轻微。

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中将

十一年服役纪念章TIME TRAVELER钻石金双剑金橡叶铁十字勋章四次金星勋章荣誉勋章维多利亚十字勋章行政立法委骑士团勋章海武魂旗手终身荣誉会员

 楼主| 发表于 2024-5-10 22:41 | 显示全部楼层
本帖最后由 seven_nana 于 2024-5-10 22:57 编辑
JeanBart 发表于 2024-5-10 12:03
关于日本九一式穿甲弹,平贺让电子档案馆里这份《亀ヶ首発射成績の独より購入甲鉄》有可能是目前仅有的日 ...

目前我看下来,感觉还有一个疑点没得到解决。

O-19里的炮弹验收测试规格中,有一条是36cm炮弹在30度下打330mm的VH装甲,这个是跟25度以上/0.9倍弹径的论断互相矛盾的。

330mm装甲对于356mm炮弹而言已经是0.93倍弹径了,如果不考虑速度参数(O-19中没有给出)的话,这个难度还要略高于460mm在30度下打410mm(0.89倍弹径)。

但是,结构和热处理方式相同的41cm弹,就没有30度的测试规格。

中将

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 楼主| 发表于 2024-5-10 22:55 | 显示全部楼层
本帖最后由 seven_nana 于 2024-5-10 22:57 编辑
JeanBart 发表于 2024-5-10 12:03
关于日本九一式穿甲弹,平贺让电子档案馆里这份《亀ヶ首発射成績の独より購入甲鉄》有可能是目前仅有的日 ...

另外,从平贺让电子档案馆里这份资料里的55度打靶数据来看,91式穿甲弹至少也得90%+的经验式比值才能达成海军弹道极限,至于有效起爆穿透极限就更难了,毕竟NPG 4-47里美弹在55度下也只是完整击穿但无法有效起爆。

上士

三年服役纪念章海军及海军陆战队勋章

发表于 2024-5-10 23:07 | 显示全部楼层
本帖最后由 JeanBart 于 2024-5-10 23:33 编辑
seven_nana 发表于 2024-5-10 22:41
目前我看下来,感觉还有一个疑点没得到解决。

O-19里的炮弹验收测试规格中,有一条是36cm炮弹在30度下打 ...

O-19给出的验收规格,我感觉没有区分表面硬化装甲究竟是VH还是VC,所以可能也没区分新老装甲。
比如46cm弹的验收里同时出现了420和410两种厚度,按照日本文献描述的大厚度VH和VC装甲大致性能,可能是420mm VC和410mm VH装甲等价,在验收时同时使用。

考虑到美国人曾经在验收炮弹时拿了库存的BTC装甲在40°或35°验收14" MK 16 mod 1-8穿甲弹,甚至还有用CKC装甲在35°验收,说不定日本九一的这个330mm的30°验收,使用的是老式的日本VC装甲。根据平贺让电子档案里的文件,老式的41cm 6号穿甲弹可以在28°角下对老式的15.14" VC装甲打出正贯-弹完,换成性能更好的九一,应该能做到0.9D在30°正贯-弹完。

O-19有说表格里的部分验收条件太严苛,所以也可能330mm 30°是初期试图改用的新标准,但因为无法达成而被废止。

上士

三年服役纪念章海军及海军陆战队勋章

发表于 2024-5-10 23:33 | 显示全部楼层
seven_nana 发表于 2024-5-10 22:55
另外,从平贺让电子档案馆里这份资料里的55度打靶数据来看,91式穿甲弹至少也得90%+的经验式比值才能达成 ...

引用他人的观点:这份材料的测试,T/D比有点偏大了,对48cm和41cm弹分别达到0.53和0.62,有可能影响了炮弹的表现,类似NPG 4-47里的英国穿甲弹。

按照论坛里已有的英国穿甲弹大角度测试以及我找到的英国档案记录,哪怕是老式的英国15-in Mk Va穿甲弹都能在84%左右经验式比值下对4英寸左右的英国NC装甲打出破口,但在射击这块7寸美国装甲时,性能最好的14-in Hadfields穿甲弹在超过100%比值的情况下连穿孔都做不到——当然美国Class B装甲性能优良可能也是一大因素。(这里我觉得有必要探讨一下英国NC装甲性能问题。老式Mk Va穿甲弹以如此低的速度就打出穿孔实在是有点“震撼”,但英国实际测试显示想要彻底穿透还是得达到110%以上的系数,似乎说明英国NC装甲确实容易出现破损。另一方面根据英国测试,确实有部分英国均质装甲在大角度迎弹时性能反而不如NVNC/MNC以及德国均质装甲。)

不过日本文件里其实还有一段是使用36cm穿甲弹测试装甲接缝的内容,靶板是127mm的NVNC装甲,表现反而不如41cm和48cm弹,对非接缝区域射击时94.78%比值打出滑-头贯,推算的弹道极限比值高达96.92%,但是这个记录没说具体弹体情况。

要确定确切的对甲板穿透性能,可能还需要寻找更多射击记录资料。

中将

十一年服役纪念章TIME TRAVELER钻石金双剑金橡叶铁十字勋章四次金星勋章荣誉勋章维多利亚十字勋章行政立法委骑士团勋章海武魂旗手终身荣誉会员

 楼主| 发表于 2024-5-11 09:26 | 显示全部楼层
JeanBart 发表于 2024-5-10 23:07
O-19给出的验收规格,我感觉没有区分表面硬化装甲究竟是VH还是VC,所以可能也没区分新老装甲。
比如46cm弹 ...

如果是老款装甲或者测试规格太严苛的话,那逻辑上就讲得通了

中将

十一年服役纪念章TIME TRAVELER钻石金双剑金橡叶铁十字勋章四次金星勋章荣誉勋章维多利亚十字勋章行政立法委骑士团勋章海武魂旗手终身荣誉会员

 楼主| 发表于 2024-5-11 09:29 | 显示全部楼层
本帖最后由 seven_nana 于 2024-5-11 10:01 编辑
JeanBart 发表于 2024-5-10 23:33
引用他人的观点:这份材料的测试,T/D比有点偏大了,对48cm和41cm弹分别达到0.53和0.62,有可能影响了炮 ...

是的,这几个T/D比确实大,美国人笔下也是说如果T/D比小于0.5应该能有相当不错的表现

但考虑到日弹的弹体结构硬而脆,装药腔也很大,我还是不看好它在大角度下的有效起爆穿透能力

期待能挖掘出更多的资料

上尉

十二年服役纪念章旗手

发表于 2024-8-15 14:38 | 显示全部楼层
o19.o17来看蝗国94式的变化还是很明显的,460的type13m5引信更短,更强壮,蛋体底部硬度和被帽硬度都有强化,硬度分布和NPG3-47里的伯利恒公司的16寸m8mod6相比还更强壮一点,看来一开始要求37度击穿自身主装要求还是对炮弹形成了巨大鸭梨

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