军迷必看:不同子弹的外形,都有哪些讲究?

作者: 果壳

来源: 果壳网

发布日期: 2016-03-29

本文详细讨论了不同子弹外形的设计原理及其对性能的影响,包括减小空气阻力、增加威力和适应不同武器需求等方面。

如果你是一位军事发烧友,想必应该是见过不少弹丸的“长相”,记得当年看《军武次位面》的时候有一期去科普枪弹。但crazy262没有展开讲。那么,弹丸拥有各式各样的外形会产生什么作用呢?我们来细细讨论一下。

设计弹丸时,第一要考虑的自然是如何减小空气阻力——阻力小打得远嘛,这个道理地球人都知道。说到减阻,首先要了解一下什么是“空气阻力”。弹丸受到的空气阻力,按产生原理可以分为三种:摩擦阻力、涡流阻力和激波阻力。

简单地讲,摩擦阻力就是弹丸把周围的空气分子不断吸附到“身边”,形成一个薄薄的空气层(一般称为“附面层”),消耗了弹丸动能从而形成的阻力。只要弹丸速度达到一定数值(骑自行车的速度),就会发生空气来不及补充到尾部不断腾出的空间,因而形成尾部低压区,并伴随有涡旋产生的现象。这种现象一旦产生,弹丸的头尾部就有了压力差,形成向后的合力,即为涡流阻力(也称底部阻力)。

激波阻力则弹丸运动速度进一步增加到音速时,伴随着“激波”这种现象而产生的阻力。这种阻力在三种阻力中强度是最大的,一旦出现激波,弹丸所受的阻力将会有突然的跃升,这就是航空史上曾经的难题——音障。

知道了阻力产生的原因,自然就可以想办法减阻了。减小摩擦阻力的方式比较简单,只需设法减小弹丸表面的粗糙度即可,粗糙度下降,对空气分子的吸附力减弱,被消耗的动能就少了。最常见,也是最经济实用的办法就是在弹丸表面涂漆。涂漆最初的目的是为了防锈,但同时漆液靠在表面张力的作用下自动“填平”了表面上的凹凸不平,起到了减小表面粗糙度的作用。

减小摩擦阻力其实无关弹丸的外形(只跟表面状况有关),但减小涡流阻力和激波阻力就与外形的关系很大了。减小涡流阻力的最常见招数是“尾部收缩”。普通榴弹在弹带之后直径就开始逐渐减小了,这样处理可以让流经弹丸表面的空气先转过一个小角度,再到流动到尾部,更容易补充到弹底,从而可起到减小头尾部压力差的作用。

而更典型的是迫击炮弹,其尾部(最大直径之后的部分)长度占整个弹长的比例很大,空气绕过头部流动到尾部更加平缓,也更加容易,头尾部之间的压力差就比直角状尾部形状要小很多。

另一种思路是“主动出击”——空气不是很难补充到底部吗?那就主动产生点气体呗!具体做法是在弹底部加装一个装有火药柱的“排气装置”,在发射后点燃,产生火药气体补充到底部,从而提高底部压力,头尾部的压力差就小了,一般可以增程1/4到1/3左右。

至于减小激波阻力的办法就更简单了——把头削得越尖越好,头越尖,激波越弱,就好比前方迭加的浓密空气层被尖锐的弹头“刺穿”了一样。

减阻只是弹丸外形选择要考虑一个方面而非全部,否则把所有的弹丸都做成对速度要求最高的穿甲弹那样就行——那样一定能打到最远。但不同的弹丸担任的作用不同,比如榴弹,总还得装上炸药去炸目标吧?细细一个尖头长杆能装多少?因此,外形选择要考虑的第二个方面就是弹丸的威力问题——要尽可能的多塞炸药(对于炮来讲),或者把动能尽可能多的“传递”给目标(对于枪来讲)。

如果只考虑威力,应该将其加工成圆筒状,因为这样装量最多。如果只考虑阻力小,那么炮弹就应该是一个尖细长杆,但这样就无法装药了。所以最终的弹丸外形一定是介于二者之间“妥协”和“平衡”的结果,也就是我们习以为常的外形:头部较尖(减小激波阻力),尾部略有收缩(减小涡流阻力),头尾之间有一段直径不变的“圆柱部”,这一段空间整个都可以用来装药,既不是装药最多的“圆柱”,也不是阻力最小的“尖杆”。

如果对炮弹的速度要求不高,那么就可以在选择外形时多考虑增加威力的因素。例如不靠速度“吃饭”,全靠装药发威的破甲弹,它的外形其实并不利于“减阻”——头部直径虽小却钝,直径突然增加的圆柱部也会增加阻力。

这样的外形设计完全是因为“破甲”的原理是靠炸药的“空心聚能”效应来击穿装甲,装药越多,效果越好,而这一切与撞击目标时的速度却没啥关系,所以只要能在保证精度的前提下打到目标就行,做成这种“非主流”形状也就不奇怪了。如果不是因为“空心聚能”要求有一定的起爆高度而必须在头部戳上一根“长竿”,我们可能真的会看到一个近似于完全“圆柱”的炮弹。

水中兵器鱼雷的外形可能更说明问题。多数鱼雷的头部都是钝头甚至是平头,这是因为搞成尖头也没用(鱼雷的速度远远达不到1450m/s左右的水中声速),起不到多少减少阻力的作用,反而还减小了装药空间,得不偿失。不过尾部还是缓慢收窄,说明在水中主要还是以涡流阻力为主。

鱼雷“又粗又长”,装上四五百千克的炸药足以把一条数千吨的军舰送进海底。沿着这个思路,似乎把炮弹做长也能起到增加威力的作用,设想一下,如果把普通榴弹弄成两三米长,那得多装多少啊?实际上火箭弹正是如此,长长的弹体容纳了更多的炸药,威力不是一般的大——300mm左右口径的火箭弹一发即可荡平一个足球场大小的区域。

但是我们并没有看到过这样的榴弹或破甲弹,这是因为除了减阻和威力外,还得考虑点别的——成本、制造、运输、装填等勤务或经济因素。身管火炮的炮弹如果做的太长就会出现成本高、威力过剩(打个小目标也只好用“大”炮弹)、贮存和运输困难、许多情况下难以装填、发射过程中弹体强度难以保证等许多棘手的问题。因此,我们能看到的榴弹、破甲弹,大约都不会超过900mm,这也是综合考虑了各种因素的一个“折中”结果。

但是火箭弹为什么很长呢?其中一个原因是火箭弹还要容纳发动机,另一方面是火箭发射时加速度小很多,受力也没那么大,强度有保证,而且火箭弹(特别是大口径)的运输、贮存、装填都有专门的辅助车辆,而装备量更大的各类身管火炮要是也这么干,那就真是“脑残”加“烧钱”了。

在动能穿甲弹的外形选择上不用考虑太多动能穿甲弹依靠自身动能打击目标,速度即威力,所以在外形设计上主要考虑减阻。

穿甲弹的初速很高,一般在1500m/s以上,在有效射程内均处于超音速状态,激波阻力占到整个阻力的60%以上。因此,为了减小占大头的激波阻力,直接把弹体做成细长尖头状就行,在保证精度、弹体强度和质量足够的前提下,越细(横截面积小阻力也小)越尖(激波阻力小)越好。同时,为了不把能量浪费在自转上,穿甲弹都是用尾翼来稳定。

至于供枪械使用的各种子弹,它们的外形也要由各自的威力要求和勤务性能来决定。

步枪要求有较远的射程和一定的杀伤力,要在减阻和穿透能力(能穿透防护装具)上多考虑一些,因此步枪子弹大致像一个微缩的火炮榴弹。

手枪主要用于近距离射击(50m以内),要多偏重于如何把能量更多的传递给目标(敌人近在身边,最好一击毙命),在减阻上不用太多考虑(反正也不用打很远),正好钝头形状进入软组织后受到的阻力更大,能量传递效率高,人的手臂也经受不住很大的后座力,再加上手枪的弹匣就装在握把里,而握把要适于人手的持握,因此手枪弹(加上弹壳)都比较圆钝短粗的形状。

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