超空泡技术原理与水下枪械

刘伟

水下枪械是适合水下射击使用，能对蛙人作战的枪械，常见的有水下手枪、水下步枪，枪管结构有单管和多管。由于水的密度比空气大的多，常规步枪或手枪在水下射击时，陆上使用的子弹在高密度的水中的飞行阻力是空气的800多倍，加上高速旋转，子弹很快会失去稳定而偏航，从而丧失继续向前运动的动能。试验表明，在水中射击时，小口径自动步枪发射的子弹有效射程还不到1米，著名大威力手枪M1911A1发射的11.43毫米手枪弹在0.9米处只在木板上撞出一个轻微痕迹。由此可见，常规的枪械和枪弹在水下射击时是发挥不了作用的。

由于使用环境特殊，对水下枪械要求更为苛刻，要求其具有较强的耐海水浸泡、耐盐雾侵蚀能力，使用的弹药经过长时间的海、江河、湖水浸饱后，亦可满足作战要求;具备高度的安全性，枪械在水下发射时，枪口噪音要小，水波和声波产生的压力波不会对射手造成伤害;具备良好的人机功效，结构简单，握持舒适，射手在水下用任何姿势都可操作射击。其实，让子弹在复杂的水下环境中稳定飞行，才是水下枪械首先要解决的技术难题。水下枪弹一般采用小锥角尖弹头以减小阻力，采用高密度材料以保证子弹的速度，采用高性能缓释发射药以保证初速，最重要的是利用超空泡技术来减小弹头在水中运动的阻力。

超空泡技术原理

利用超空泡原理减阻是一种革命性的减阻方法，它可以使水下高速运动的航行体获得90%的减阻量，是水下兵器降低阻力、提高航速、增大航程的重要手段和发展方向。超空泡原理可以使水中运动的物体获得极高的速度，这种技术最早运用到鱼雷上，最成功的例子是俄罗斯的“暴风雪”超空泡鱼雷。通过使用超空泡技术，鱼雷的航行速度可以前所未有的超过200节，相当于每小时370千米，比传统的鱼雷高出3～4倍。超空泡技术分为人工通气超空泡和自然超空泡。人工通气超空泡是通过航行体内部结构将发动机或气体发生器产生的气体引向头部，并从开孔处喷出而形成的超空泡，主要应用在鱼雷等大尺寸武器上。自然超空泡技术是利用航行体的高航速和特别设计的头部形状来形成气体包层，主要应用在水下枪弹、炮弹等小尺寸的武器上。

自然超空泡原理是这样一种物理现象：当物体在水流中的表面压力下降到水的汽化临界点时，物体表面的一部分水就因压力的减小而从液态变为气态，形成附着于物体表面的若干小气泡，破裂后形成空气团，将物体的一部分或头部以外的区域与水隔开。在初期，各个小气泡存在时间极其短暂。但当物体速度增加时，水的流速相对加快，物体表面的更多地方产生空泡，小空泡在物体的更大面积上积聚。在足够高的流速下，空泡不再溃灭而形成一个被水蒸气充满的大气泡。如果物体上的空泡已经覆盖了整个物体，就称之为“超空泡”，此时的物体相当于穿上了一件“气体外衣”。由于在超空泡状态下，物体只有头部与水接触，物体周围处于水蒸气的包围中不与水接触，这就大幅度降低了水对运动物体表面的摩擦阻力。

俄罗斯研制的“暴风雪”超空泡鱼雷

水下枪弹

水下枪弹正是利用超空泡技术实现了极大减阻，保证了射弹的有效射程。水下枪弹在水中运动时，受到水对子弹向前运动的阻力，其阻力主要包括头部与底部之间的压差阻力和子弹表面的摩擦阻力。其中最主要的是摩擦阻力，通常情况下占总阻力的70%～80%。水下枪弹均具有超空泡特性，子弹在水下向前运动时，只有头部与水介质接触，而侧面和底部只与超空泡内的水蒸气接触，这样就可以大幅度降低水介质对子弹运动的摩擦阻力，使得子弹可以以很高的速度稳定运行，在子弹周围产生稳定的超空泡。水下枪弹有长杆水下枪弹和“多环境”枪弹。

长杆水下枪弹

长杆水下枪弹弹头采用头部锥形、小平顶，弹身细长，质心相对靠前的长杆设计，滑膛枪管发射。长杆水下枪弹出膛伊始，仅弹尖与水接触，水在弹尖平顶和锥面的结合处分开，压力降低，产生空泡，在弹尖周围形成一个空腔，弹头其余部分不再与水接触。此时水的干扰作用相对较小，弹道比较准直。但弹尖受到水的阻力，会产生一定的翻转力矩，导致弹尾发生擺动，碰撞到空泡壁后形成“尾击”现象。由于弹体是对称的，弹尾以相反的角速度弹回，再碰撞相反方向的空泡壁，如此反复，使弹头进入平稳运动期。所以，水下枪弹一般采用弹尖锥形、弹体细长、端面较小、质心靠前的长杆形弹头，以求有效地利用“尾击”，尽可能减小累积偏差，获得较好的稳定性和精度。

由于水下作战的特殊性，水下枪弹不仅要能对人体形成有效杀伤，还要能对付水中危险的生物，能击穿潜水员佩戴的有机玻璃潜水面罩和钢质氧气瓶瓶体。所以，长杆弹头均为金属材质，目的是在较小的直径前提下获得较大的断面比能和足够的硬度。

典型的长杆水下枪弹有：4.5×40毫米SPS水下手枪弹、5.66×39毫米MPS水下步枪弹（MPST水下曳光弹）、5.45×39毫米PSP水下步枪弹。

SPS水下手枪弹适用于SPP-1水下手枪，弹径4.5毫米，全弹长145毫米，全弹重17.5克。其钢质弹头采用平顶锥形弹尖、大长径比圆柱设计，平顶直径1.1毫米，弹头长115毫米，弹头重12.8g，长径比25.5。弹表面涂覆有特殊的防锈漆，弹壳为常规的瓶型、凸缘式，装有0.45克双基无烟发射药，最大膛压192.1MPa，弹头在空气中初速为250米/秒。

MPS水下步枪弹适用于APS水下突击步枪，弹径5.66毫米，结构与SPS弹类似，弹壳是用标准的5.45×39毫米弹壳扩口而成，全弹长150毫米，全弹重27.5克。长杆形弹头长120毫米，重20.2克，在空气中初速为350米/秒。后来，5.66毫米水下枪弹还新增了一种水下曳光弹MPST，用于在水下指示弹道。其在弹尾加入一截黄铜制曳光管，曳光管内部自带氧化剂，在射出后可在超空泡内形成曳光火焰，曳光可见度与水深有关。与普通MPS弹相比，MPST弹的弹尖涂有墨绿色漆。

上为5.66×39 毫米MPS 水下步枪弹，中为4.5×40毫米SPS 水下手枪弹，下为7.62 毫米M43 步枪弹

MPST水下曳光弹，下为拆掉曳光管的弹头

PSP水下步枪弹适用于ADS两栖突击步枪，弹径5.45毫米。该弹摒弃了过去5.66×39毫米MPS弹的超大长径比弹头结构，但仍然属于长杆弹头，只是全长较短，弹头长度依然长达53毫米，但大部分埋入了弹壳中，所以全弹长度只有57毫米，可以装入普通AK74弹匣。5.45毫米PSP弹露出弹壳外的弹头部分外径略小于枪械口径，弹尖处为一小圆柱体，随后是两段相接的锥体，第一锥体夹角较大、长度略长，第二锥体夹角较小、长度较短，下部为较长的圆柱段。弹体外裹一层塑料弹带，弹带在枪弹飞出枪口后会与弹头分离。PSP弹称为作战型弹，弹头为铁灰色，弹头重16克，水面上的枪口初速为330米/秒，采用高强度钢制成，在埋入弹壳内的弹体中部，有一段突起的台阶。另外还研制了训练型弹PSP-U，弹头为金黄色，弹头重8克，为纯铜制，陆上初速为430米/秒，更适合在陆上使用。

“多环境”枪弹

“多环境”枪弹是可以同时适用于水下和陆上两种环境，甚至可以从水下向陆上目标射击，也可从陆上向水下射击的枪弹。“多环境”枪弹的研发单位挪威DSG公司，在2012年6月推出了两种新型弹药，即常规超空泡（GPS）和双核超空泡（DCS）枪弹。2019年5月以DCS枪弹为基础又推出了全新的CAVX“多环境”枪弹。它们与传统的长杆水下枪弹不同，尺寸与普通枪弹类似，通过对弹头形状特别是弹尖角度的精心设计，以高初速以及特殊外形来形成超空泡，达到能够在多环境高速稳定飞行的目的。

GPS枪弹的黄铜弹壳、底火和发射药与普通枪弹并无不同，但弹头是专门设计的实心回转体结构，由黄铜棒精密车制而成，光洁度较高，包括圆柱体部分和头部三段相接的锥体部分。第一锥体位于顶端，锥角较大但较短，第二锥体锥角稍小但较长，而第三锥体锥角最小、长度最大。正是弹头顶端的这种特殊形状，使GPS枪弹不仅适应多种发射环境，甚至允许以较小的角度射入水中，而不会发生通常的跳弹现象。以7.62×51毫米GPS枪弹为例，弹头重8克，在空气中初速为870米/秒，有效杀伤距离800米，在水下视水深有效杀伤距离为10～15米。

左为PSP作战型弹，右为PSP-U训练型弹

DCS水下穿甲弹由钨合金硬质弹芯和包裹在弹芯后部不可分离的铜质弹托组成，铜质弹托主要用来减缓弹头对膛线的磨损。钨合金弹尖与铜质弹托上各设计有一道锥形环槽，前者直径较小，后者较大，目的是使弹头在水中更容易形成空泡。7.62×51毫米DCS弹头重14.2克，在空气中初速为660米/秒，有效杀伤距离为950米，在水下有效杀伤距离20米。DSG公司另外一种水下穿甲弹是带有可分离弹托、具有更高穿透能力的APS枪弹。APS结构与DCS类似，弹头全长略大于后者，但直径略小一些，钨合金弹芯更细，在弹头外包裹着带有一道锥形环槽的可分离铜质弹托，整体结构更类似于脱壳穿甲弹，以提高弹头初速。7.62×51毫米APS弹头重16克，在空气中初速为610米/秒，有效杀伤距离为1040米，在水下有效杀伤距离为25米。

左為2发常规超空泡（GPS）弹，右为双核超空泡（DCS）弹

CAV-X系列枪弹是以DCS枪弹为基础推出的全新“多环境”枪弹。该系列枪弹包括7.62×51毫米CAV-X枪弹、5.56×45毫米CAV-X枪弹、12.7×99毫米CAV-X枪弹等西方常见口径枪弹。CAV-X系列枪弹可使用标准枪械发射，特点是圆锥形，有别于普通枪弹经典的瓶状外形。CAV-X枪弹的奥妙在于其弹头的结构设计和材料选择。其弹芯采用比重很大的钨合金制成，外面包有黄铜套。更重要的是弹头的形状，每一次平面、夹角、弧度都经过精心的计算和调整，使得在射角很小的情况下，也不会从水面弹飞，在进入水中后超空泡发挥作用，能保持弹头的速度和精度。5.56毫米和7.62毫米口径CAV-X枪弹还设计有超音速型和亚音速型两种。5.56毫米超音速CAV-X的水上有效射程为700～900米，水下有效射程10～11米;亚音速型的水上有效射程为600米，水下有效射程10～14米（与超音速弹相比，可能采用了不同的弹头设计）。7.62毫米超音速CAV-X的水上有效射程为1100米，水下有效射程20～22米的目标;亚音速型的水上有效射程为500米，水下有效射程12～14米。12.7毫米CAV-X的有效射程为2200米，水下有效射程60米。

SPP-1水下手枪和它发射的SPS水下枪弹

水下枪械

水下环境和陆地环境大不相同，所以专用水下枪械设计非常困难，目前设计比较成功的典型水下枪械有以下几种。

水下手枪

典型的水下手枪是苏联的SPP-1水下手枪和德国的P11水下手枪。

SPP-1水下手枪是苏联中央精密研究所著名设计师西莫诺夫于1971年研制成功，SPP是特种水下手枪英文的缩写。后經过改进定型为SPP-1M，主要改进两个方面，一是增大扳机护圈以适应较厚的潜水手套，二是在扳机拉杆上增加一个弹簧以改善扳机扣力。SPP-1水下手枪作为世界上第一种水下射击武器，研制成功后一直未公开，直到1989年苏联“蛙人”在地中海的马耳他担负水下警戒任务时首次亮相，在1992年雅典兵器防务展上正式公开。SPP-1式水下手枪，弹匣供弹，发射4.5毫米SPS水下枪弹。该枪有4根枪管，呈正方形排列，每管装有一发弹，每扣动一次扳机发射一发弹。4发弹射击完毕后，可手动自行装弹。全枪长244毫米，枪管长203毫米，全枪质量950克，带4发弹重量是1.03千克。该枪在水下5米处有效射程为17米，水下10米处有效射程14米，水下20米处有效射程11米，水下40米处有效射程5米。在空气中它的有效射程为20米。由此可以看出，在水面以上该枪仅能作为应急自卫武器使用。

三种不同口径的CAV-X枪弹弹头

P11水下手枪由德国HK公司研制，于1976年设计定型，装备德国、英国、挪威、荷兰、丹麦、以色列、美国等特种部队，发射7.62×36毫米水下枪弹。该弹全弹长大约100毫米，采用贫铀制成的弹芯，具有较强的侵彻力，在近距离能够射穿典型潜水气瓶的10毫米厚钢板。该枪采用“储-发”一体结构，设有5根枪管，5发枪弹密封在弹膛/枪管内，靠电击发。但该枪不便于再次装填，射击完毕后，需要将枪送回工厂重新装弹密封。该枪在水面上的射程为25米，但精度极易受到横风的影响;水下射击的有效射程为15米，通过枪弹飞离枪口后张开的小尾翼来稳定弹道。

水下突击步枪

典型的水下突击步枪是APS水下突击步枪。

APS水下突击步枪由苏联中央精密机械研究所于1975年设计定型，是世界上第一支水下专用战斗枪械。该枪采用导气式自动原理，回转式闭锁机构，开膛待击，弹匣供弹，可单、连发射击。在水下由于水压的关系，会限制运动部件，尤其是枪机的运动，因此需要更大的导气量。因此它有一个特殊的自动气体调节器，用于调节水下射击和水上射击的导气量。它发射MPS水下枪弹，弹匣容量26发。尽管5.66毫米MPS弹比5.45×39毫米弹长了很多，但整枪尺寸却小于AK74，全枪长823毫米（枪托伸出）、614毫米（枪托缩回）;重量也相对较轻，全枪重2.4千克（无弹匣）、3.4千克（带实弹匣）;理论射速水上600发/分，水下350发/分。水下有效射程随水下深度变化而改变，水下5米时有效射程为30米，水下20米时有效射程为20米，水下40米时有效射程为11米。水上射击，枪口初速为365米/秒，有效射程为100米，但会严重缩短武器寿命，在水下使用寿命为2000发，而水上只有180发。

德国研制的P11水下手枪

ASM-DT两栖突击步枪的两种作战状态

两栖突击步枪

水下枪械在水中能够充分发挥其作战效能，但在陆上使用时，其射击精度极低，而且射程也有限。那么，为了完成两栖作战任务，蛙人不得不携带两种武器，水下作战时用水下枪械，陆上作战时用常规枪械。但由此带来的问题是，武器装备重量的增加极大妨碍了蛙人的机动性与灵活性，同时两种枪械的换用也造成不便。为此，发展集地面武器和水下武器优势于一身的双介质轻武器势在必行。典型的两栖突击步枪是ASM-DT和ADS两栖突击步枪。

APS水下突击步枪（题图为手持APS的俄罗斯蛙人）

ASM-DT两栖突击步枪由俄罗斯图拉炮兵工程学院的尤里·达尼洛夫教授，于2000年研制成功。该枪设计有空气、水下发射转换的导气装置，口径为5.45毫米，采用线膛枪管。该枪通过一个可前后移动的弹匣卡笋，实现一枪发射两种不同长度的弹药。卡笋在后方时，能够装上更大的水下长杆弹弹匣，卡笋在前方时，能够安装普通5.45毫米弹匣。该枪在陆上发射标准的5.45毫米突击步枪弹药，在水中发射5.45毫米MGTS水下弹药，实际弹头直径为5.4毫米，使得弹头不会嵌入膛线，以达到滑膛的效果，因此也就不会旋转。该枪采用折叠枪托，枪口可安装消焰助退器和PBS消音器，机匣左侧还有用于安装瞄具的导轨。ASM-DT两栖突击步枪虽有“两栖”之名，但蛙人在上岸之后还需要调整弹匣卡笋，更换弹匣，显然不够方便。因此，图拉仪器制造设计局开始了新一代两栖突击步枪ADS的设计，追求弹匣通用。

安裝不同附件的ADS两栖突击步枪

2005年， 图拉仪器制造设计局成功研制了外形尺寸与普通5.45×39毫米弹无异的PSP水下枪弹，为实现两栖突击步枪奠定了基础。同年新一代两栖突击步枪ADS（俄文意思是“特种双用途自动步枪”）设计定型，2009年ADS步枪进行了小批量生产，交付给俄海军特种部队进行试用。2013年，ADS步枪正式被俄军采用。全枪长660毫米，枪管长415毫米，空枪质量（含40毫米下挂榴弹发射器）4.6千克，弹匣容量30发，可单、连发射击。该枪采用线膛枪管，无托设计，导气系统为双环境（空气/水下）选择装置，枪机回转式闭锁，向右前方抛壳。膛口可以加装制退器/减震器、消音器或空包弹发射适配器。该枪可发射5.45毫米制式普通弹、曳光弹、穿甲弹和PSP水下枪弹。发射PSP作战型枪弹在水下5米深处射击时，有效射程为25米，水下20米处的有效射程为18米;发射PSP-U训练型枪弹，在水上时初速约430米/秒，在水下射击时的有效射程要比作战型枪弹少一半。

国产QBS06式水下突击步枪

手持水下枪械的蛙人

我国根据部队作战的需要也研制了性能优越的国产水下枪械。QSS05式水下手枪外形与SPP-1M几乎一模一样，发射4.5毫米长杆水下枪弹，主要装备海军陆战队和特种作战部队，用于执行水下渗透、侦察、爆破、排雷等任务，杀伤敌人水下有生力量及水下危险动物，必要时可以在陆上使用。QBS06式水下突击步枪，在2001年的中泰联合军演上首次公开展示，外形与APS非常相似，口径5.8毫米，弹头也是大长径比长杆水下枪弹，不同的是有一种带小尾翼的弹头。该枪采用滑膛枪管，导气式活塞长行程自动方式，枪机回转闭锁，弧形弹匣供弹。