平頭彈尖設(shè)計(jì)顛覆遠(yuǎn)程射擊精度

2024年3月， 美國(guó)霍納迪公司宣布獲得一項(xiàng)關(guān)于采用平頭彈尖（flat meplat）取代傳統(tǒng)圓形彈尖（rounded meplat）的彈頭專利。人們不禁要問(wèn)，這有何特別之處？事實(shí)證明，彈尖形狀對(duì)彈頭的遠(yuǎn)距離性能至關(guān)重要。該設(shè)計(jì)理念正是霍納迪公司A-Tip競(jìng)賽彈頭的核心創(chuàng)新，這款被譽(yù)為市場(chǎng)上一致性最好、精準(zhǔn)度最高的遠(yuǎn)程競(jìng)賽彈頭，其突破性創(chuàng)新竟源自偶然的發(fā)現(xiàn)——在這個(gè)案例中，細(xì)節(jié)確實(shí)決定了成敗。

研發(fā)背景

霍納迪公司在研發(fā)ELD-X與ELD-M系列槍彈的過(guò)程中，研發(fā)人員觀察到一個(gè)令人困惑的現(xiàn)象：在遠(yuǎn)射程（初速低于609.6m/s）的槍彈測(cè)試中，彈頭阻力和存速存在顯著波動(dòng)。為支持霍納迪4DOF（4Degrees of Freedom的縮寫，霍納迪公司開發(fā)的四維外彈道程序）外彈道程序開展的進(jìn)一步測(cè)試表明，幾乎所有其他制造商的彈頭——包括鑲尖彈（tipped）、船尾形空尖彈（boat-tail hollowpoint，縮寫為BTHP）以及車削一體成形彈頭——都表現(xiàn)出相同的現(xiàn)象。值得注意的是，BTHP彈頭的阻力波動(dòng)與彈頭尖部的表面處理一致性直接相關(guān)，即彈尖越尖銳，阻力波動(dòng)越嚴(yán)重，且這種波動(dòng)既不可預(yù)測(cè)也不穩(wěn)定。雖然數(shù)值偏差不大，但足以促使研發(fā)團(tuán)隊(duì)展開系統(tǒng)性研究以解決問(wèn)題。對(duì)于遠(yuǎn)射程槍械彈頭設(shè)計(jì)而言，實(shí)現(xiàn)彈與彈之間的絕對(duì)性能一致性堪稱研發(fā)人員追求的最高境界。時(shí)任霍納迪公司首席彈道學(xué)家的戴夫·埃默里（Dave Emary）組織研發(fā)團(tuán)隊(duì)研究了現(xiàn)有的文獻(xiàn)，并對(duì)彈頭的每個(gè)可測(cè)量參數(shù)進(jìn)行了精密檢測(cè)，但始終未找到關(guān)鍵誘因。嘗試過(guò)的解決方案包括對(duì)船尾底部進(jìn)行銳邊加工、在彈頭曲面上刻淺槽、調(diào)整裝藥量以及優(yōu)化彈體同軸度等，但均未奏效。

2017年春季，現(xiàn)任霍納迪首席彈道學(xué)家的杰登·奎因連（JaydenQuinlian）與戴夫·埃默里使用配備槍口抑制器的6.5mm克里德莫爾（Creedmoor）口徑步槍及質(zhì)量9.07g的ELD-M彈頭，研究槍口抑制器對(duì)遠(yuǎn)程彈頭彈道的影響。奎因連負(fù)責(zé)射擊，埃默里操作雷達(dá)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。當(dāng)彈頭飛行超過(guò)548.6m后，雷達(dá)顯示阻力、存速及彈頭穩(wěn)定性出現(xiàn)明顯波動(dòng)。當(dāng)時(shí)，兩人經(jīng)討論后初步歸因于槍口抑制器的干擾效應(yīng)，故繼續(xù)射擊試驗(yàn)。但隨著5發(fā)彈匣即將打空，埃默里發(fā)現(xiàn)彈匣底部剩余彈的阻力波動(dòng)似乎有所減小。經(jīng)過(guò)多次連續(xù)射擊后，兩人推斷最后幾發(fā)槍彈彈頭的尖端因槍械的后坐以及槍彈的慣性出現(xiàn)了輕微壓扁。兩人均認(rèn)為這不可能產(chǎn)生任何影響。于是，兩人使用萊澤曼（Leatherman）銼刀將后續(xù)5 發(fā)槍彈彈頭的尖端銼平，并盡量使其尺寸一致。奎因連單發(fā)裝填射擊了這5發(fā)槍彈后，它們的阻力表現(xiàn)與存速幾乎完全相同。兩人異口同聲喊道：“這不可能！”

之后，戴夫·埃默里組織研發(fā)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了大規(guī)模的文獻(xiàn)檢索，并咨詢了多位行業(yè)權(quán)威專家，沒有人見過(guò)或聽說(shuō)過(guò)這種現(xiàn)象，也沒有人能解釋為什么會(huì)發(fā)生這種情況。因此，霍納迪研發(fā)團(tuán)隊(duì)制作了許多平頭的鋁制彈尖，以便進(jìn)一步深入探索平頭彈尖對(duì)彈頭性能的影響。這些平頭彈尖通過(guò)數(shù)控車床加工，精度達(dá)到可能實(shí)現(xiàn)的高度一致。然后將這些平頭彈尖替換到正在生產(chǎn)的彈頭上進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不僅在雷達(dá)能追蹤到彈頭的全程范圍內(nèi)阻力表現(xiàn)近乎一致，而且在跨音速（速度在音速附近）情況下，阻力值更低。完成這些測(cè)試后不久，戴夫·埃默里便從霍納迪公司退休。

奎因連在2017～2018年間持續(xù)推進(jìn)了后續(xù)的研究。2018年末，霍納迪公司正式申請(qǐng)平頭彈尖專利，并于2019年推出革命性的A-Tip系列競(jìng)賽彈頭。2020年《槍械與彈藥年鑒》（Guns amp; Ammo Annual）首次披露A-Tip彈頭后，其標(biāo)志性平頭彈尖設(shè)計(jì)即引發(fā)業(yè)界關(guān)注。此后霍納迪逐步將旗下Heat Shield 尖端系列產(chǎn)品線升級(jí)為平頭彈尖設(shè)計(jì)。截至目前，A-Tip、CX、ELD-M、ELD-VT及ELD-X系列彈頭均已采用平頭彈尖技術(shù)。

雷達(dá)數(shù)據(jù)清晰印證了平頭彈尖的性能優(yōu)勢(shì)，但對(duì)其背后的流體力學(xué)原理，團(tuán)隊(duì)至今仍在探索。正如奎因連所言：“我們知其然，卻尚未知其所以然。”這一偶然發(fā)現(xiàn)再次印證：彈道學(xué)領(lǐng)域的重大突破，往往始于對(duì)微小異常的執(zhí)著探究。

數(shù)據(jù)解析

雷達(dá)信息顯示，采用平頭彈尖設(shè)計(jì)的彈頭在跨音速及更低馬赫數(shù)（速度與音速的比值）區(qū)間的整體阻力、阻力波動(dòng)及穩(wěn)定性顯著優(yōu)于圓形彈尖設(shè)計(jì)。圖1 展示了同型號(hào)彈頭的單項(xiàng)測(cè)試阻力系數(shù)對(duì)比——唯一變量為一組采用平頭彈尖，另一組為圓形彈尖。二者的性能差異清晰可見：圓形彈尖數(shù)據(jù)呈現(xiàn)明顯的不穩(wěn)定性，其阻力波動(dòng)幅度是平頭彈尖的3 倍。研發(fā)團(tuán)隊(duì)迫切需要揭示這一現(xiàn)象背后的空氣動(dòng)力學(xué)原理。

破解這一謎題的關(guān)鍵在于紋影攝影技術(shù)（Schlieren Photography，縮寫為為SP）。霍納迪公司研發(fā)團(tuán)隊(duì)運(yùn)用SP 技術(shù)開展了大量實(shí)驗(yàn)，圖2 展示了平頭彈尖彈頭的SP 成像幀——注意彈尖前方主激波后方存在次級(jí)激波，且彈尖周圍深色區(qū)域顯示出強(qiáng)烈的空氣密度梯度變化。這兩個(gè)特征表明：彈尖處激波存在輕微剝離現(xiàn)象。對(duì)比圖3（尖頭彈尖彈頭的SP成像）可見，其主激波后方無(wú)次級(jí)激波，彈尖處也無(wú)密度梯度變化，激波完全附著于彈尖。而傳統(tǒng)圓形彈頭（roundedbullet）、尖頭彈尖彈頭（sharp-pointedbullet，也稱pointed-tip bullet 或sharplypointed bullet，不同廠家的表述差別）及空尖彈頭（hollow-point bullet）的測(cè)試結(jié)果均顯示，激波在彈尖的附著位置存在隨機(jī)性偏移。這種偏移會(huì)在彈頭表面產(chǎn)生不穩(wěn)定的橫向力，進(jìn)而導(dǎo)致飛行姿態(tài)（俯仰/偏航）波動(dòng)，最終引發(fā)阻力變化。簡(jiǎn)言之，當(dāng)激波無(wú)法穩(wěn)定附著于彈尖特定位置時(shí)，其附著點(diǎn)會(huì)因彈頭加工微小差異或槍口擾動(dòng)引起的初始姿態(tài)變化而游移不定，這正是阻力波動(dòng)的根源。

這一因素在遠(yuǎn)距離射擊中尤為重要。當(dāng)彈頭在遠(yuǎn)距離下降時(shí)，旋轉(zhuǎn)彈頭的動(dòng)力學(xué)特性會(huì)導(dǎo)致其相對(duì)彈道軸線產(chǎn)生逐漸增大的俯仰與偏航角偏移。由于圓形彈尖的設(shè)計(jì)，隨著彈頭姿態(tài)變化，激波在彈尖的附著位置亦隨之移動(dòng)。最貼切的類比是：想象以單腳立于直徑較小的半球形穹頂頂端， 并在8.9m/s風(fēng)速中竭力保持靜止——相較于站在寬闊平坦的表面上，前者顯然更易失衡。激波附著點(diǎn)的持續(xù)偏移引發(fā)姿態(tài)失穩(wěn)，進(jìn)而導(dǎo)致阻力隨機(jī)波動(dòng)與整體增大。這正是在遠(yuǎn)射程及跨音速區(qū)間觀測(cè)到阻力波動(dòng)加劇的根源。美國(guó)陸軍針對(duì)尖頭彈尖彈頭的研究報(bào)告同樣證實(shí)了此類不穩(wěn)定性現(xiàn)象的存在。

如圖2所示，彈尖周圍小范圍的高密度空氣區(qū)及主激波后方的次級(jí)激波表明，此處存在弓形激波（Bow Shock）。該激波與彈尖平面之間存在微小分離間隙，既不直接沖擊也未附著于彈頭。此外，弓形激波本身具有一定寬度，這使得彈頭對(duì)飛行過(guò)程中輕微的俯仰/偏航姿態(tài)變化敏感度降低。基于此特性，激波能夠自適應(yīng)彈道軌跡中微小的姿態(tài)波動(dòng)，而無(wú)需在彈尖表面重新尋找附著點(diǎn)。其結(jié)果是：彈頭在減速及產(chǎn)生輕微姿態(tài)偏移時(shí)，所受阻力更為穩(wěn)定，彈道一致性顯著提升。

平頭彈尖帶來(lái)的穩(wěn)定性提升使彈頭在1.5馬赫（約502m/s）至0.9馬赫（約306m/s）的范圍內(nèi)阻力顯著降低且飛行更穩(wěn)定。與許多傳統(tǒng)彈頭不同，平頭彈尖彈頭在接近音速時(shí)不會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)或不可預(yù)測(cè)的行為。圖4展示了同型號(hào)彈頭在配裝平頭彈尖與圓形彈尖時(shí)的阻力系數(shù)隨馬赫數(shù)變化對(duì)比。值得注意的是，圓形彈尖的阻力表現(xiàn)與尖頭彈尖幾乎完全一致，平頭彈尖在跨音速區(qū)（0.8～1.2馬赫）的阻力改善尤為顯著。圓形彈尖在 2.4馬赫以下表現(xiàn)出越來(lái)越大的不穩(wěn)定性，而在1.7馬赫以下時(shí)，不穩(wěn)定性和阻力系數(shù)急劇增加。對(duì)于平頭彈尖來(lái)說(shuō)，所有這些因素共同作用，提高了遠(yuǎn)程精度。小尺寸平頭彈尖的唯一缺點(diǎn)是，在高超音速下阻力略有增加。然而，當(dāng)彈頭以0.9馬赫的速度飛行時(shí)，其在跨音速區(qū)域（彈頭約三分之二的飛行時(shí)間處于該區(qū)域）的阻力降低足以彌補(bǔ)這一不足。

由于傳統(tǒng)圓形彈尖彈頭輪廓相對(duì)于彈頭軸線連續(xù)變化，且激波附著位置會(huì)隨彈頭飛行姿態(tài)改變而偏移，導(dǎo)致激波在彈尖的附著位置持續(xù)變化。這種現(xiàn)象會(huì)造成空氣動(dòng)力特性、阻力及存速的不穩(wěn)定，最終影響射擊精度。相比之下，小尺寸平頭彈尖因其固定直徑與彈體軸線保持恒定關(guān)系，只有當(dāng)彈頭姿態(tài)發(fā)生顯著變化時(shí)，激波位置才會(huì)產(chǎn)生位移。這種設(shè)計(jì)創(chuàng)造了更加穩(wěn)定、一致的氣動(dòng)環(huán)境。

更深入的認(rèn)知

在很多人看來(lái)，這一發(fā)現(xiàn)是對(duì)槍械彈頭在超遠(yuǎn)距離射擊中的空氣動(dòng)力學(xué)與設(shè)計(jì)理論的重大突破。很難相信彈尖上這個(gè)微小的細(xì)節(jié)，即平頭與圓形的區(qū)別，竟能對(duì)彈頭性能產(chǎn)生可量化且顯著的影響，但事實(shí)確實(shí)如此！從邏輯上看，尖頭彈頭應(yīng)該具有更低的阻力，在短距離內(nèi)也確實(shí)如此。但遺憾的是，由于尖頭在遠(yuǎn)射程上產(chǎn)生的不穩(wěn)定性和更高阻力，這種優(yōu)勢(shì)會(huì)逐漸消失。平頭彈尖對(duì)飛行性能的改善效果通過(guò)雷達(dá)數(shù)據(jù)得到了無(wú)可爭(zhēng)議的證實(shí)，而紋影攝影技術(shù)則驗(yàn)證了氣流差異及其對(duì)彈頭產(chǎn)生的物理影響。

平頭彈尖在彈尖處產(chǎn)生的氣流動(dòng)能與激波結(jié)構(gòu)，比圓形彈尖或尖頭彈尖設(shè)計(jì)更加寬容且穩(wěn)定。其結(jié)果是：這項(xiàng)彈頭技術(shù)擁有更穩(wěn)定、更高的存速，更強(qiáng)的彈頭穩(wěn)定性，并最終提升了精度。

編輯/曹晨