水下槍彈運(yùn)動(dòng)特性揭秘

大家都知道，槍彈在水中因?yàn)樽枇Υ蠖鴮?dǎo)致射程有限，但和你想象的不同，槍彈在水下快速運(yùn)動(dòng)時(shí)并沒(méi)有和水親密接觸。槍彈入水后，水中那些肉眼看不見(jiàn)的微小氣泡會(huì)在真空壓力下逐漸積聚在槍彈表面，越來(lái)越多，最后形成一個(gè)覆蓋全彈的超空泡。打一個(gè)形象的比喻，此時(shí)的槍彈似乎就是撐開(kāi)了一層保護(hù)膜。實(shí)踐證明，彈身細(xì)長(zhǎng)，質(zhì)心靠前的流線(xiàn)型水下槍彈，具有最好的射擊穩(wěn)定性和精度。

自動(dòng)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(wú)異，但是槍彈卻必須全新設(shè)計(jì)，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(guó)的P11水下手槍?zhuān)疤K聯(lián)的A JI c和C JI JI－1水下步槍?zhuān)约岸砹_斯近年來(lái)新開(kāi)發(fā)的水陸兩用步槍等，都代表了該類(lèi)裝備發(fā)展過(guò)程中的最高水平。由于水下槍械在戰(zhàn)略上屬于機(jī)密級(jí)武器，各國(guó)都對(duì)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(lái)展示槍彈在水下運(yùn)動(dòng)的奇妙景觀。

物體在水中運(yùn)動(dòng)的奇特現(xiàn)象

物體在水中運(yùn)動(dòng)時(shí)，水經(jīng)過(guò)其表面的不同點(diǎn)位時(shí)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(yùn)動(dòng)較慢，即水的相對(duì)流速較低時(shí)，水與物體表面相接觸，稱(chēng)為全濕流動(dòng)；當(dāng)物體相對(duì)于水的流速越來(lái)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(shuō)的“真空”。例如。用管子喝飲料時(shí)。管子里就是負(fù)壓；用來(lái)掛東西的吸盤(pán)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(duì)液體表面產(chǎn)生的壓強(qiáng)就是蒸汽壓)時(shí)，物體表面開(kāi)始出現(xiàn)若干小而分散的蒸汽泡，當(dāng)負(fù)壓力再升高時(shí)，這些小氣泡會(huì)很快地破滅，物體周?chē)纬梢欢ǖ目諝鈭F(tuán)，將物體的一部分或頭部以外的全部區(qū)域與水隔開(kāi)，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為空化現(xiàn)象。

在空化初期，各個(gè)小氣泡存在時(shí)間極其短暫。但當(dāng)物體的運(yùn)動(dòng)速度增加時(shí)，即水的相對(duì)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(gè)被水蒸汽充滿(mǎn)的大氣泡。如果空泡已經(jīng)覆蓋了整個(gè)物體，稱(chēng)之為完全發(fā)展的空泡，學(xué)術(shù)界稱(chēng)為超空泡，若僅覆蓋了部分表面則稱(chēng)為局部空泡。

根據(jù)現(xiàn)代對(duì)空化現(xiàn)象的研究，空泡往往是從水中極微小的氣泡開(kāi)始的。這些小氣泡的直徑在10^-4－10^-2mm之間，稱(chēng)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(duì)于物體來(lái)說(shuō)，空泡數(shù)越小，最小負(fù)壓力系數(shù)的絕對(duì)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(gè)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(yùn)動(dòng)特征

當(dāng)彈頭在水中以100－300m／s速度飛行時(shí)，因其相對(duì)于水的流速很高，因此彈頭在水中運(yùn)動(dòng)是帶超空泡的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，會(huì)被空泡完全覆蓋，空泡對(duì)整個(gè)外彈道的影響很大。

彈頭在水中的運(yùn)動(dòng)可以分為兩個(gè)時(shí)期；運(yùn)動(dòng)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?chē)纬梢粋€(gè)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(shí)，僅有彈頭頭部受到水的阻力作用，水對(duì)彈頭的干擾作用相對(duì)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(huì)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(dòng)力矩，因此使彈尾侵入到空泡壁以外的水里，會(huì)對(duì)空泡壁形成碰擊(稱(chēng)為尾擊)，彈尾被空泡壁彈回，并繞著質(zhì)心回?cái)[。隨后，彈頭開(kāi)始進(jìn)入尾擊后的平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)期。

此時(shí)會(huì)出現(xiàn)兩種情況，一是彈尾可能再?gòu)倪@個(gè)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(huì)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(shí)，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(duì)面的空泡壁，反反復(fù)復(fù)，使彈頭仍能對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)飛行。

尾擊是一個(gè)相當(dāng)重要的現(xiàn)象，其發(fā)生時(shí)機(jī)和隨后產(chǎn)生的力矩對(duì)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(zhǎng)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(yùn)動(dòng)。

空泡長(zhǎng)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(zhǎng)，彈尾端部直徑越大，尾擊現(xiàn)象越早發(fā)生，狀態(tài)攻角和角速度越小；彈頭質(zhì)心越靠近頭部，尾部力臂越長(zhǎng)，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(zhǎng)，尾端面較小、質(zhì)心相對(duì)靠前的桿式結(jié)構(gòu)。

水下槍彈的運(yùn)動(dòng)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(duì)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(yùn)動(dòng)速度衰減為初速的36.8％時(shí)，這段飛行的路程稱(chēng)為衰減距離。理論計(jì)算和試驗(yàn)表明，衰減距離的倒數(shù)與水深近似為線(xiàn)性關(guān)系。

水深的變化對(duì)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。總的看來(lái)，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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(zhǎng)度減小，這時(shí)尾擊現(xiàn)象出現(xiàn)較早，彈尾撞擊空泡壁時(shí)的角速度較低，不需要很大的回復(fù)力矩就能使彈尾回?cái)[，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(shí)流體的粘性力將會(huì)成為彈頭力系中的重要組成部分。流體粘性力將增大水對(duì)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