如果细心的军迷们留意观察,会发现这样的一个规律:手枪子弹,枪挂榴弹,亚音速反舰导弹和巡航导弹,以及亚音速的飞机,飞行体一般用的都是圆形钝头;而像步机枪弹,超音速反舰导弹弹道导弹,通常都是圆锥形尖状的头部。
几种常见手枪子弹,全是圆头或者钝头
YJ83反舰导弹,用的是钝头
步机枪弹都是尖头
“白蛉”3M80超音速反舰导弹头部也是尖的
洲际导弹的锥形弹头和整流罩
当然,手枪也不是没有尖头弹,我国的92式军用手枪用的就是一种尖头弹。其实圆头还是尖头,这都主要取决于不同速度下的空气阻力。在亚音速下,圆头的阻力更小;由于手枪枪管短,后坐力要小,子弹一般初速都不高,一般在300-400m/s,属于跨音速或亚音速段,所以用圆头比较合适。而在超音速下,由于激波阻力的存在,条件就变了,此时需要使用尖头。比如92式用的是5.8mm子弹,弹头质量太轻,为了增加威力,只能增大初速到超音速,此时就需要用尖头来减阻了。接下来我们看看,为啥亚音速飞行时圆头更容易减阻,为啥超音速时尖头更容易减阻。
军用版92式用的是5.8mm尖头弹
圆头减阻原理
至于为啥圆头在亚音速下阻力更小,其实涉及到非常复杂的流体力学的数值模拟,在这里只能定性的解释一下。在亚音速情况下,圆钝头劈开空气后空气流畅更加平滑,流场不存在拐弯角度太大的情况;而尖头弹由于曲率的不连续性,一部分气流需要拐很大一个弯才能绕道上表面,并且在运动一段距离后重新附着到子弹表面上。但这样就相当于在子弹表面制造了一个气流分离区,这个区域的气流流速低,根据伯努利原理,流速低的气流压强更大;而重新附着到子弹表面的的气流,因为损失了一部分速度,压强也变高了。伯努利原理升力的来源来自于上下表面的压差;如果压差变小,升力也就变低,那么子弹的弹道就是更加下弯的;除此之外,由于迎风面上的压强更高,也将导致压差阻力增大,使子弹减速更快,存速能力下降。所以表现不如圆头弹。
亚音速流场中圆头弹和尖头弹的表现
压差阻力图解
尖头减阻原理
既然如此,为啥机枪弹和步枪弹要用尖头呢?因为步机枪弹弹,有效射程要求达到数百米,因此对子弹的初速就提出了更高的要求。比如AK-47度初速已经达到了710m/s,M-16更是达到了945m/s,已经达到了音速的2倍以上。在超音速下,之前的模型,就不适用了。因为这个时候子弹的附近会多出一样东西——激波(Shock Wave),也叫冲击波,激波阻力也将替代其他阻力成为主要的阻力来源。激波的形成主要是物体在超过音速飞行时,物体前段气体因为相对速度超过音速而产生的压缩现象。
子弹发射时在头部产生的锥形激波,子弹速度越快,激波的锥角越小
激波前后的空气压强会产生突变,空气经过激波波面后,像撞到了一堵墙上一样,会被减速并压缩,压强大大增加;物体经过激波时,也会遭受很强的应力,甚至会引起强烈的震颤。所以超音速段,子弹当然是要想办法避开自己产生的激波了,不然撞到自己产生的激波上岂不是很冤?所以这个时候尖头弹就派上用场了。尖头弹不仅是头尖而已,而且它的形状也是细长型,尖头的锥度是比较高的。这样,子弹产生的斜激波就与子弹本身不接触,减小了激波阻力。
而如果是圆头弹,因为曲率半径大,所以斜激波会撞到子弹上,让子弹剧烈减速到亚音速,威力大大减小,费那么大劲设计的枪,威力不行还打不准,多冤啊。所以但凡是射程远,威力大的步枪机枪狙击枪弹,乃至炮弹,用的都是尖头小锥角的设计了。
圆头弹超音速就是这么个下场
其实19世纪刚有定装步枪弹那会,也是用圆头弹的。但是随着技术的进步和对步枪远射需求的提升,各国也逐渐认识到圆头弹存速能力的不足。到了20世纪初,各国开始纷纷研发了尖头子弹,到了一战之后,圆头弹几乎完全绝迹了。
美国M1892 .308军用步枪弹
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