水下槍彈運動特性揭秘

大家都知道，槍彈在水中因為阻力大而導(dǎo)致射程有限，但和你想象的不同，槍彈在水下快速運動時并沒有和水親密接觸。槍彈入水后，水中那些肉眼看不見的微小氣泡會在真空壓力下逐漸積聚在槍彈表面，越來越多，最后形成一個覆蓋全彈的超空泡。打一個形象的比喻，此時的槍彈似乎就是撐開了一層保護(hù)膜。實踐證明，彈身細(xì)長，質(zhì)心靠前的流線型水下槍彈，具有最好的射擊穩(wěn)定性和精度。

自動武器已經(jīng)有百年的歷史，但是水下槍械的發(fā)展卻是近幾十年的事。由于水介質(zhì)的和空氣介質(zhì)特性差異很大，所以在空氣中有效射程能達(dá)到幾百米的傳統(tǒng)槍彈，在水中也就只有幾米的飛行距離了。

水下槍械一般采用近似于常規(guī)槍械的發(fā)射結(jié)構(gòu)，電擊發(fā)或擊針擊發(fā)方式，滑膛槍管。盡管水下槍械外觀與常規(guī)槍械無異，但是槍彈卻必須全新設(shè)計，以克服水中的阻力。

二十世紀(jì)六、七十年代，水下槍械“浮出水面”。其中著名的有德國的P11水下手槍，前蘇聯(lián)的A JI c和C JI JI－1水下步槍，以及俄羅斯近年來新開發(fā)的水陸兩用步槍等，都代表了該類裝備發(fā)展過程中的最高水平。由于水下槍械在戰(zhàn)略上屬于機密級武器，各國都對其關(guān)鍵技術(shù)諱莫如深，因此本文并不立足從技術(shù)、結(jié)構(gòu)的角度加以深入探討，而是從物理現(xiàn)象的表現(xiàn)來展示槍彈在水下運動的奇妙景觀。

物體在水中運動的奇特現(xiàn)象

物體在水中運動時，水經(jīng)過其表面的不同點位時的流速是不一樣的，有的地方流得快，有的地方流得慢。當(dāng)物體在水中運動較慢，即水的相對流速較低時，水與物體表面相接觸，稱為全濕流動；當(dāng)物體相對于水的流速越來越快，物體表面的負(fù)壓力(負(fù)壓：就是指比正常的氣壓低的氣體狀態(tài)，也就是常說的“真空”。例如。用管子喝飲料時。管子里就是負(fù)壓；用來掛東西的吸盤內(nèi)部。也是負(fù)壓)升高，當(dāng)負(fù)壓力達(dá)到飽和蒸汽壓力(蒸汽壓指的是在液體的表面存在著該物質(zhì)的蒸汽，這些蒸汽對液體表面產(chǎn)生的壓強就是蒸汽壓)時，物體表面開始出現(xiàn)若干小而分散的蒸汽泡，當(dāng)負(fù)壓力再升高時，這些小氣泡會很快地破滅，物體周圍形成一定的空氣團，將物體的一部分或頭部以外的全部區(qū)域與水隔開，這個過程稱為空化現(xiàn)象。

在空化初期，各個小氣泡存在時間極其短暫。但當(dāng)物體的運動速度增加時，即水的相對流速加快，物體表面的更多地方發(fā)生空化現(xiàn)象，小空泡在物體的更大面積上積聚。在足夠高的流速下，空泡不再破滅，而形成一個被水蒸汽充滿的大氣泡。如果空泡已經(jīng)覆蓋了整個物體，稱之為完全發(fā)展的空泡，學(xué)術(shù)界稱為超空泡，若僅覆蓋了部分表面則稱為局部空泡。

根據(jù)現(xiàn)代對空化現(xiàn)象的研究，空泡往往是從水中極微小的氣泡開始的。這些小氣泡的直徑在10^-4－10^-2mm之間，稱為空化核。水流中存在著大量空化核和各種雜質(zhì)，為空泡的形成提供了初始條件。對于物體來說，空泡數(shù)越小，最小負(fù)壓力系數(shù)的絕對值越大，越容易產(chǎn)生空泡。若物體上的空泡已經(jīng)覆蓋了整個物體，即形成超空泡。在形成超空泡的情況下，物體雖身在水中，卻并未與水接觸。

水下槍彈的運動特征

當(dāng)彈頭在水中以100－300m／s速度飛行時，因其相對于水的流速很高，因此彈頭在水中運動是帶超空泡的運動過程，會被空泡完全覆蓋，空泡對整個外彈道的影響很大。

彈頭在水中的運動可以分為兩個時期；運動初期，僅彈頭部最前端的面積與水接觸。水在彈頭部端平面和錐面的結(jié)合部突然分離，在彈頭周圍形成一個空腔，彈頭其余部分不再與水接觸，氣水分界面就叫作空泡壁。此時，僅有彈頭頭部受到水的阻力作用，水對彈頭的干擾作用相對較小，彈道較準(zhǔn)直。

由于彈頭不與水接觸，只有頭部和水接觸并相互作用，彈頭會產(chǎn)生一定的翻轉(zhuǎn)力矩和初始角速度，并給自由的彈尾一定的擺動力矩，因此使彈尾侵入到空泡壁以外的水里，會對空泡壁形成碰擊(稱為尾擊)，彈尾被空泡壁彈回，并繞著質(zhì)心回擺。隨后，彈頭開始進(jìn)入尾擊后的平穩(wěn)運動期。

此時會出現(xiàn)兩種情況，一是彈尾可能再從這個空泡壁上彈出，但脫離不了頭部力矩的控制，在同樣的空泡壁位置重復(fù)上一次的碰擊，這種情況下彈頭的飛行方向偏差會不斷地累加，最終可能使其偏離目標(biāo)。另一種情況是彈尾被空泡壁以相反的角速度彈回時，頭部力矩不能控制它，彈尾最終脫離該側(cè)的空泡壁，朝相反方向碰擊對面的空泡壁，反反復(fù)復(fù)，使彈頭仍能對準(zhǔn)目標(biāo)飛行。

尾擊是一個相當(dāng)重要的現(xiàn)象，其發(fā)生時機和隨后產(chǎn)生的力矩對彈道的影響非常大。尾擊后“平衡”狀態(tài)下的攻角大小，取決于彈頭頭部阻力面積、彈頭長度、彈尾的直徑和形狀以及彈頭的質(zhì)心位置。狀態(tài)攻角越小越有利于彈頭平穩(wěn)運動。

空泡長度和直徑隨著頭部阻力面積的增大而增大，這意味著彈頭阻力面積與狀態(tài)攻角大小成正比；彈頭越長，彈尾端部直徑越大，尾擊現(xiàn)象越早發(fā)生，狀態(tài)攻角和角速度越??；彈頭質(zhì)心越靠近頭部，尾部力臂越長，力矩越大，狀態(tài)攻角越小。因此，水下槍彈彈頭一般采用頭部錐形，彈身細(xì)長，尾端面較小、質(zhì)心相對靠前的桿式結(jié)構(gòu)。

水下槍彈的運動規(guī)律

水深與速度及射程的關(guān)系

水阻力約比空氣阻力大800倍，重力和浮力相對于阻力影響較小，可以忽略。彈頭在水中的速度衰減比在空氣中快得多，當(dāng)其在水中運動速度衰減為初速的36.8％時，這段飛行的路程稱為衰減距離。理論計算和試驗表明，衰減距離的倒數(shù)與水深近似為線性關(guān)系。

水深的變化對槍彈的初速影響較小。但隨著水深的增加，負(fù)壓力也增加，導(dǎo)致空泡數(shù)增大，從而使水阻力增大，衰減距離縮短，射程也隨之縮短；隨著水深的增加，發(fā)射器彈膛壓力和膛口壓力略有增加，但增幅不大?？偟目磥?，水越深，槍彈速度衰減的越快，有效射程越短。

水深與散布及穩(wěn)定性的關(guān)系

彈頭在水中運動初期的穩(wěn)定性取決于彈頭頭部的阻力面積、攻角變化的大小，而這些都與空泡的幾何形狀有關(guān)。水深的變化導(dǎo)致空泡數(shù)、彈頭部水阻力發(fā)生變化，從而使空泡的幾何形狀發(fā)生變化，進(jìn)而影響其運動的穩(wěn)定性。

在相同的初始條件下，當(dāng)水深增加，則彈頭上空泡的直徑和長度減小，這時尾擊現(xiàn)象出現(xiàn)較早，彈尾撞擊空泡壁時的角速度較低，不需要很大的回復(fù)力矩就能使彈尾回擺，所以槍彈頭部攻角的變化以及散布較小。

水深增加到一定程度，彈頭將只能產(chǎn)生局部空泡，這時流體的粘性力將會成為彈頭力系中的重要組成部分。流體粘性力將增大水對彈頭的阻力，加速其速度衰減并改變力系的布局，使彈頭在水中飛行的穩(wěn)定性受到影響。

編輯 袁 煒