一种跨介质动能大的超空泡枪弹

1.本发明涉及枪弹技术领域，更具体的说是涉及一种跨介质动能大的超空泡枪弹。


背景技术：

2.由于水下特殊的作战环境，而普通枪弹是基于在空气中使用设计的，在水中射击时，由于水的密度是空气密度的800倍左右，其粘稠度和密度远高于空气，导致枪弹在水中射击的时候射程大大缩短，并且枪弹在水下的稳定性较差，由此，引起枪弹从空中射向水下时的命中率和威力大大降低。
3.现有的水下枪弹采用的是长杆式箭型结构，可以保证弹头在水下的稳定飞行，但水陆适应性较差，当子弹射出水面后基本就停止飞行，速度急剧下降，杀伤力大幅度降低。
4.因此，作为单兵作战主要使用的普通子弹无法从空中向水下射击，对士兵在执行水下特殊作战任务造成了困难，在专家和学者的研究下，研究出了可以实现子弹在水下射击的超空泡枪弹，目前对超空泡这一类水下枪弹进行试验的仅有几个国家，且只有挪威对外宣称研制出来了4.32
×
51mm的水下超空泡弹药，但是对于适用于普通枪械的可以进行跨介质射击的5.8
×
42mm超空泡枪弹技术仍未有任何进展。
5.现阶段的专利公开以及文献资料显示：1)专利(cn20250429185.8)公开了一种超空泡枪弹，弹体包括托体及空化器，其是一种基于超空泡原理的水下枪弹，枪弹头部设置的空化器为平头空化器，以便冲开水流形成超空泡，保持其在水下运动的稳定性，但此弹型进行跨介质射击实验，虽然在跨介质射击时的超空泡生成率为80％，但是在入水后不能很好的保持在水中的稳定性，远不能达到对目标有威胁的射程。2)专利(cn201910580221.3)公开了一种适用于小角度入水的超空泡长尾射弹，其适用于水面舰艇甲板或直升机发射，设置了多级阶梯状的圆柱形空化器，采用尾翼和加强筋的结构，有效地防止了射弹翻转和跨介质射击时会产生外漂的现象。但是该发明只能适用于特定的武器装置，且射弹需要进行特殊加工，制造较困难，普遍适应性较差，不能适应士兵在执行特殊作战任务。3)专利(cn201810429242.2)公开了一种尾翼稳定高速超空泡射弹，该发明对射弹增加了尾翼，提高了水下高速超空泡射弹的弹道稳定性，改善了弹道易弯曲、直线性差的特点，大幅增加了弹道的直线性和可预测性。但是增加尾翼的射弹，只能提供一定程度的水下稳定性，且这种发明结构简单，对提高射弹水中稳定性的效果不强。
6.综上，现有的水下枪弹技术虽然在一定程度上可以实现跨介质射击，但是大多数射弹进行跨介质射击时精度较低、射程不佳，在跨介质过程中稳定性发生急剧变化，偏离原始轨道方向，速度下降较大，造成射弹跨介质后的射程变短、命中率降低以及飞行稳定性变差，远不能对目标造成威胁。为此，我们提出一种能够从水下向空中射击的旋转稳定的5.8
×
42mm的跨介质超空泡枪弹。本发明在进行跨介质射击时，在跨介质前后的弹道指标基本一致，不会发生严重偏离，大大增加了单兵作战进行特殊作战任务的成功率，射弹在跨介质射击时，由于设置的特殊锥头结构，使得射弹在跨介质时保持极高的速度，产生极大的动能，既增加了跨介质射击的成功率，也可以保持射弹在水下运动的稳定性，极大的增加了射
弹进行跨介质射击的射程和精度。


技术实现要素：

7.本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，而提出的一种跨介质动能大的超空泡枪弹，保证了射弹在水下运动的稳定性，且跨介质后仍可保持较大的动能，从而增加射弹跨介质射击的成功率，同时也增加了射弹跨介质后的飞行稳定性，提高了跨介质射击的射程和精度。
8.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
9.一种跨介质动能大的超空泡枪弹，其特征在于，包括弹托和弹芯，所述弹托上依次设置有第一柱体，第一倾斜体，第二柱体，第三柱体以及第二倾斜体，所述第一柱体、所述第一倾斜体、所述第二柱体、所述第三柱体以及所述第二倾斜体一体成型，所述弹芯包括圆锥面、第一锥面、第二锥面、嵌入体以及在所述第一锥面上开设的环形槽，且所述第一锥面、所述第二锥面和所述第三锥面设置曲面过渡，且所述曲面过渡由一侧向另一侧倾斜度越来越小，所述弹芯的嵌入体与所述弹托的凹槽采用过盈配合连接；所述第一柱体的直径大于所述第二柱体的直径，小于所述第三柱体的直径，所述第一柱体的直径等于所述第一倾斜体的底部直径，所述第二柱体的直径等于所述第一倾斜体的顶部直径，所述第三柱体的直径等于所述第二倾斜体的底部直径。
10.进一步地，所述圆锥面、所述第一锥面和所述第二锥面设置有曲面过渡，所述圆锥面的倾斜角大于所述第一锥面的倾斜角，所述第一锥面的倾斜角大于所述第二锥面的倾斜角。
11.进一步地，所述第一锥面上开设有环形槽，其位于所述第一锥面的中间位置，深0.5～0.8mm，宽0.5～0.8mm。
12.进一步地，所述第一柱体、所述第一倾斜体和所述第二柱体设置有倾斜过渡，且所述第一倾斜体的倾斜角大于所述第二倾斜体的倾斜角。
13.进一步地，所述跨介质超空泡枪弹陀螺稳定因子s＝1.38，缠度n＝39.5，所述弹芯采用钨合金材质，所述弹托采用铜材质，所述弹芯与所述弹托采用过盈配合连接。
14.进一步地，以fluent流体仿真软件为计算平台，采用二维轴对称模型对水下高速射弹跨介质运动时进行了二维轴对称数值模拟，分析了射弹跨介质出水过程空泡形态、弹道稳定特性和流体动力特性的变化规律。
15.进一步地，采用vof多相流模型描述高速射弹跨介质射击的过程，通过气、汽、液三相形成的各项流动，从而建立起控制方程。
16.进一步地，所述跨介质超空泡枪弹在进行跨介质入水过程将发生空化，采用schnerr and sauer空化模型对空化现象进行模拟，其控制方程为：
[0017][0018]
式(1)中：f
vap
＝50和f
cond
＝0.001为经验常数；rb＝1
×
10-6
m为空化气核半径；α
nuc
＝5
×
10-4
为不可凝结气体的体积分数。
[0019]
进一步地，采用fluent19.0流体仿真软件和matlab软件，应用理论分析和数值模拟相结合的方法对高速射弹的入水过程空泡形态、弹道特性及流体动力特性的变化规律进
行了研究。
[0020]
更进一步地，采用重叠网格和6-dof(六自由度)技术对高速射弹入水进行了三维数值研究，分析了不同入水角度对入水空泡形态发展、射弹运动轨迹的影响。
[0021]
相比于现有技术，本发明的有益效果在于：
[0022]
本发明所提出的一种跨介质动能大的超空泡枪弹，以15
°
、30
°
、45
°
、 60
°
、90
°
为入射角从空气中射入水下，在水下的有效射程均在10m以上；从空中射入水中跨介质超空泡生成率达到80％以上；精度、命中率极高；且适用于 95-1式5.8mm自动步枪发射。
[0023]
通过本发明设计的弹托和弹芯，弹芯主要通过前端设置的圆锥面形成超空泡，并且圆锥头射弹在跨介质飞行过程中存速更大，侧向偏差更小，弹道稳定性更好。通过弹芯上的第一锥面上的环形槽，通过调整水流冲击子弹时产生的翻转力矩来避免子弹的翻转，有效地提高了子弹在跨介质入水后射弹的飞行稳定性。通过射弹前端的圆锥面，可以冲开水流形成超空泡现象(由于子弹的高速旋转，带动着周围大气压急剧下降，使得子弹周围水的沸点要小于在正常大气压下水的沸点，产生水蒸气，水蒸气覆盖在子弹周围，使得子弹相似于在空中的飞行过程，从而使子弹在水下也可以保持高速的飞行。)然后弹芯前端的锥面和环形槽的射击则可以使得子弹在跨介质时仍然保持高速稳定运动，且设置的圆锥头射弹相比于其他结构射弹，圆锥头射弹在跨介质入水时产生的速度降更小，有助于增大水下射程，且圆锥头射弹质心运动轨迹呈螺旋线，在跨介质入水过程中存速更大，可以产生较大的动能，极大增加了射弹跨介质入水的成功率，提高了跨介质射击的射程和精度。
附图说明
[0024]
为了更清楚地表达本发明实施例的技术方案，下面将通过附图来进行进一步地描述，下面描述的附图仅仅是本发明的实施例，并不构成对本发明的限制。
[0025]
图1为本发明提出的一种跨介质动能大的超空泡枪弹的三维结构示意图，包括弹芯的三维结构图和弹托的三维结构图；
[0026]
图2为本发明提出的一种跨介质动能大的超空泡枪弹的整体结构示意图；
[0027]
图3为射弹二维轴对称入水计算域及边界条件示意图；
[0028]
图4为射弹二维轴对称计算域的全域初始相图；
[0029]
图5为本发明提出的一种跨介质动能大的超空泡枪弹的入水过程图；
[0030]
图6为本发明以入水角为45
°
时射弹入水空泡形状图；
[0031]
图7为本发明以入水角为60
°
时射弹入水空泡形状图；
[0032]
图8为本发明以入水角为90
°
时射弹入水空泡形状图。
[0033]
附图标记说明如下：
[0034]
1、弹芯；2、弹托；3、曲面过渡；4、嵌入体；5、凹槽；11、圆锥面；12、环形槽；13、第一锥面；14、第二锥面；21、第一柱体；22、第一倾斜体；23、第二柱体；24、第三柱体；25、第二倾斜体。
具体实施方式
[0035]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0036]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为本发明的限制。
[0037]
如图1、图2所示，本发明实施例公开了一种从水下向空中射击的跨介质超空泡枪弹，包括弹芯1和弹托2。
[0038]
其中，弹芯1整体呈锥形结构，弹芯1的一端为嵌入体4，且此端为跨介质超空泡枪弹的后半部分，弹芯1的另一端为圆锥面11。弹芯1的外壁包括圆锥面11、第一锥面13、第二锥面14以及在第一锥面13上形成的环形槽12，圆锥面11、第一锥面13和第二锥面14设置有曲面过渡3，且曲面过渡3的倾斜角由圆锥面11一侧向另一侧逐渐减小。
[0039]
弹托2由一侧向另一侧依次设置第一柱体21，第一倾斜体22，第二柱体23，第三柱体24以及第二倾斜体25，所述第一柱体21、所述第一倾斜体22、所述第二柱体23、所述第三柱体24以及所述第二倾斜体25为一体成型的结构，弹芯1的嵌入体4与弹托2的凹槽5配合连接，嵌入体4的尾部端面和凹槽5的底部接触，具体的连接方式为过盈配合连接。
[0040]
在上述实施例中，一种从水下向空中射击的跨介质超空泡枪弹，还包括第一柱体21，第一倾斜体22，第二柱体23，第三柱体24以及第二倾斜体25，第二柱体23和第一倾斜体22连接，且所述第一柱体21的直径大于第二柱体21 的直径，第三柱体24的直径和第二倾斜体25的直径相等。
[0041]
在上述实施例中，圆锥面11的夹角α的范围为100-130
°
，第一锥面13的倾斜角β的范围为8-12
°
，第一倾斜体12的倾斜角γ的范围为3-5
°
。
[0042]
在上述实施例中，所述跨介质超空泡枪弹各段直径尺寸及各个倾斜角均是通过fluent19.0仿真软件和matlab软件进行数值模拟和仿真测试、并通过实地射击实验取得各段最优直径和最优倾斜角，以获取最佳效果。
[0043]
在上述实施例中，所述跨介质超空泡枪弹的急螺稳定性条件为陀螺稳定因子s》1,且s在1.3-1.5范围内效果最好，因为s越大，动平衡角就越大，追随稳定性便降低；实际使用的超空泡枪弹膛线缠度n小于等于设计弹丸结构所要求的缠度[n]；由下列公式计算得出，所述跨介质超空泡枪弹陀螺稳定因子 s＝1.38，缠度n＝39.5，符合稳定性条件。
[0044]
陀螺稳定因子s计算公式：
[0045][0046]
式(2)中：j
x
为弹丸极转动惯量(kg
·
m2)；jy为弹丸的赤道转动惯量 (kg
·
m2)；n为缠度；h为弹丸质心到空气阻力中心的距离；d为弹丸直径； k
mz
(ma)为翻转力矩的速度函数给出单位。
[0047]
缠度n计算公式：
[0048][0049]
式(3)中：σ为稳定系数；j
x
为弹丸极转动惯量(kg
·
m2)；jy为弹丸的赤道转动惯量
(kg
·
m2)；u为弹丸的惯性系数；cm为弹丸的相对质量；为弹丸质心至弹头部界面的相对距离；k
mz
(ma)为反专利局的速度函数给出单位。
[0050]
弹芯1第一锥面13上设置的环形槽12，可以在当射弹在水下运动时由于外在不稳定因素可能发生偏转或翻转情况，环形槽12可以在水流冲击环形槽12 平面时，通过调整翻转力矩来避免射弹在水下运动的翻转现象，使其在射弹入水后保持稳定的水下运动。
[0051]
弹芯1上的前端部分设计成锥头结构，相对于平头弹、柱头弹等其他类型射弹，锥头结构射弹存速更大，侧向偏差更小，弹道稳定性更优，且可以有效地减轻子弹在空中和水下受到的阻力作用，使射弹可以更容易的突破水面，且跨介质后仍可产生较大的动能，保持高速、精确的旋转稳定的飞行。
[0052]
在本实施例中，优选的，弹芯1采用钨合金材质，钨合金强度硬度高，足以保证跨介质超空泡枪弹具有较好的杀伤力，弹托2采用铜材质，有利于膛线的嵌入，子弹在发射时，弹药燃烧会产生大量气体，急剧增加的气体使压力增大，将跨介质超空泡枪弹从弹壳中推出，由于跨介质超空泡枪弹的初始速度很高，但速度越高，子弹所受的空气或水阻力就越大，所以如果不赋予跨介质超空泡枪弹足够的转动惯量，将对射程和精确度造成一定的误差，因此弹托2采用铜质材料，以便嵌入膛线，使跨介质超空泡枪弹高速旋转，赋予跨介质超空泡枪弹自转惯量，有效地克服空气和水阻力，从而使跨介质超空泡枪弹可以从空中向水下射击时仍可以保持高速的旋转，保证入水后的稳定性，使跨介质超空泡枪弹在从空中射入水中后仍可以具有较大的射程和精度。
[0053]
此外，铜具有良好的延展性，强度较好，在水下的抗腐蚀性较其他材料好，良好的延展性可以提高弹托2的精度，延长模具的寿命，加工制造相对容易，并且在子弹发射时，延展性好的弹托2可以和弹膛紧密贴合，达到气密的效果；同时，铜自身还可以起到润滑的作用，有利于弹托2和弹芯1的脱离，铜导热性好，比热容大，在和弹芯1分离时可以将多数热量带走，降低弹膛的温度，防止弹膛因热量过高造成过度磨损，影响其使用寿命。
[0054]
如图3、图4所示，一种跨介质动能大的枪弹的入水过程计算域示意图和初始相图，其特征在于，以fluent软件为计算平台，采用二维轴对称计算域，壁面总长取8000mm，宽为1000mm，定义自由面距射弹头部中心位置的垂直距离为 s，自由面以下为空气，自由面以上为水，将左边定义为压力出口边界条件，将右边定义为压力入口边界条件，上边为壁面边界条件，下边为对称轴边界条件，蓝色区域设置为水相，红色区域设置为空气相。
[0055]
如图5所示，一种跨介质动能大的超空泡枪弹的入水过程，其特征在于，射弹从空中向水下射击时，经历了入水撞击、空泡流动形成、空泡敞开、空泡发生闭合、空泡消失五个阶段。
[0056]
如图6-图8所示，一种跨介质动能大的超空泡枪弹的入水空泡形状，其特征在于，采用fluent19.0流体仿真软件和matlab软件，应用理论分析和数值模拟相结合的方法，采用重叠网格和6-dof技术对高速射弹入水进行了三维数值研究，通过fluent流体仿真对以不同入水角度的射弹进行了数值模拟，得出了在入水角度分别45
°
、60
°
和90
°
时超空泡枪弹的入水空泡形态发展情况和射弹运动轨迹。
[0057]
在使用时，本发明是基于超空泡原理的一种跨介质动能大的超空泡枪弹，在地面上发射时和普通子弹的弹道指标相同，可以直接使用普通枪械进行跨介质射击，从岸上向
水下射击，由于弹芯前端设置的锥形结构，使得射弹进行跨介质后仍可以保持较高的速度和较大的动能，入水后达到较好的旋转稳定性，获得较远的射程和较高的精度，达到预期的目标，完全满足从陆地向水下进行射击的要求。
[0058]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案和发明构想进行等同替换或改变，均应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种跨介质动能大的超空泡枪弹，其特征在于，包括弹托和弹芯，所述弹托上依次设置有第一柱体，第一倾斜体，第二柱体，第三柱体以及第二倾斜体，所述第一柱体、所述第一倾斜体、所述第二柱体、所述第三柱体以及所述第二倾斜体一体成型，所述弹芯包括圆锥面、第一锥面、第二锥面、嵌入体以及在所述第一锥面上开设的环形槽，且所述第一锥面、所述第二锥面和所述第三锥面设置曲面过渡，且所述曲面过渡由一侧向另一侧倾斜度越来越小，所述弹芯的嵌入体与所述弹托的凹槽采用过盈配合连接；所述第一柱体的直径大于所述第二柱体的直径，小于所述第三柱体的直径，所述第一柱体的直径等于所述第一倾斜体的底部直径，所述第二柱体的直径等于所述第一倾斜体的顶部直径，所述第三柱体的直径等于所述第二倾斜体的底部直径。2.根据权利要求1所述的一种跨介质动能大的超空泡枪弹，其特征在于，所述圆锥面、所述第一锥面和所述第二锥面设置有曲面过渡，所述圆锥面的倾斜角大于所述第一锥面的倾斜角，所述第一锥面的倾斜角大于所述第二锥面的倾斜角。3.根据权利要求1所述的一种跨介质动能大的超空泡枪弹，其特征在于，所述第一锥面上开设有环形槽，其位于所述第一锥面的中间位置，深0.5～1.0mm，宽0.5～1.0mm。4.根据权利要求1所述的一种跨介质动能大的超空泡枪弹，其特征在于，所述第一柱体、所述第一倾斜体和所述第二柱体设置有倾斜过渡，且所述第一倾斜体的倾斜角大于所述第二倾斜体的倾斜角。5.根据权利要求1所述的一种跨介质动能大的超空泡枪弹，其特征在于，所述跨介质超空泡枪弹陀螺稳定因子s＝1.38，缠度n＝39.5，所述弹芯采用钨合金材质，所述弹托采用铜材质，所述弹芯与所述弹托采用过盈配合连接。6.根据权利要求1所述的一种跨介质动能大的超空泡枪弹，其特征在于，以fluent流体仿真软件为计算平台，采用二维轴对称模型对水下高速射弹跨介质运动时进行了二维轴对称数值模拟，分析了射弹跨介质出水过程空泡形态、弹道稳定特性和流体动力特性的变化规律。7.根据权利要求1所述的一种跨介质动能大的超空泡枪弹，其特征在于，采用vof多相流模型描述高速射弹跨介质射击的过程，通过气、汽、液三相形成的各项流动，从而建立起控制方程。8.根据权利要求1所述的一种跨介质动能大的超空泡枪弹，其特征在于，所述跨介质超空泡枪弹在进行跨介质入水过程将发生空化，采用schnerr and sauer空化模型对空化现象进行模拟，其控制方程为：式(1)中：f
vap
＝50和f
cond
＝0.001为经验常数；r
b
＝1
×
10-6
m为空化气核半径；α
nuc
＝5
×
10-4
为不可凝结气体的体积分数。9.根据权利要求1所述的一种跨介质动能大的超空泡枪弹，其特征在于，采用fluent19.0流体仿真软件和matlab软件，应用理论分析和数值模拟相结合的方法对高速射弹的入水过程空泡形态、弹道特性及流体动力特性的变化规律进行了研究。10.根据权利要求1所述的一种跨介质动能大的超空泡枪弹，其特征在于，采用重叠网
格和6-dof(六自由度)技术对高速射弹入水进行了三维数值研究，分析了不同入水角度对入水空泡形态发展、射弹运动轨迹的影响。

技术总结
本发明公开了一种跨介质动能大的超空泡枪弹，涉及枪弹技术领域，包括弹托和弹芯，弹托由一侧向另一侧设置第一柱体，第一倾斜体，第二柱体，第三柱体以及第二倾斜体，弹芯包括圆锥面、第一锥面、第二锥面、嵌入体以及在第一锥面上开设的环形槽，且第一锥面、第二锥面和第三锥面设置曲面过渡，弹芯的嵌入体与弹托的凹槽配合连接。本发明结合理论分析和数值模拟基于对射弹的跨介质射击过程的空泡形态、弹道特性及流体动力特性的变化规律设计弹型，通过弹芯上设置的锥头结构，可以使射弹在跨介质射击时存速更大，保持极大的动能，保证了跨介质射击的射程和精度，并采用FLUENT流体仿真软件和打靶实验对射弹跨介质射击进行了仿真分析和测试。测试。测试。


技术研发人员：郝博 杨斌 吕超 王明阳 张力
受保护的技术使用者：东北大学
技术研发日：2022.03.23
技术公布日：2022/5/25