炮彈飛行為何必須依賴空氣阻力？這裡閃耀著唯物辯證法的光輝

軍情 07-05

在很多人印象里，炮彈在飛行時，彈丸軸線便是速度方向，彈軸沿著外彈道切線方向飛行，也就是以彈丸軸線與外彈道重合的姿態到達目標，炮彈上的機械引信碰擊目標完成對戰鬥部的作用。其實，彈丸軸線與彈丸的飛行方向，也是有一個非常小的夾角的，這個角就是攻角。

攻角的歷史最初是源自於固定翼飛機的發明，自萊特兄弟發明飛機以來，攻角的概念並沒有得到廣泛的使用，甚至沒有明確的定義，但工程師們卻也理解機翼的秘密並以此為經驗用于飛行穩定性設計。下圖就是機翼的攻角示意圖。

同樣，在炮彈的設計中，為了提高射程和提升彈丸飛行穩定性，人類對線膛和滑膛火炮的探索，到今天已走過了兩百年的歷程，也得到了很多使彈丸穩定飛行的方法。為實現彈丸飛行穩定，通常採用兩種方法，一種是基於擺動理論的靜態穩定，典型例子就是滑膛炮發射的尾翼穩定脫殼穿甲彈，還有譬如迫擊炮彈，折卷彈翼式尾翼彈；另一種是基於旋轉理論的旋轉穩定，例如多數線膛火炮。

通常我們在研究火炮外彈道時，為了使問題簡化，會引入一些理想條件，構造一個理想而基礎的外彈道為後續引入各類變數提供理論基礎。但在彈丸實際飛行時，它是必然會偏離理想外彈道的，一是內因，炮彈出膛時的起始擾動。二是外因，火炮射擊時的氣象條件造成與理想外彈道的偏離。

有幾個定義需要說明一下，彈丸軸線方向與飛行方向的夾角叫攻角（Attack Angle），在氣動力學中也叫迎角，也可以理解為彈丸軸線與氣流作用面的夾角。炮彈飛行方向與水平方向的夾角叫彈道傾角；彈丸軸線方向與水平方向的夾角叫俯仰角。

所以，這三者的關係為：攻角＋彈道傾角＝俯仰角，俯仰角也就是所謂的Pitch角，當然這個角是肯定非常小的，否則就要失穩了。對於旋轉穩定的彈丸，攻角時等於章動角的。在外彈道學中升力係數是彈丸攻角和馬赫數的函數，簡言之，攻角是炮彈在飛行時所必需的。下圖便直觀顯示了攻角、彈道傾角和俯仰角的關係。

圖片：攻角的示意圖。

當攻角為零時，從以速度矢量為x軸的三維彈道坐標系來看，全彈法向力將為負值，對彈體飛行將造成不利影響。對於有些特殊情況，譬如某些擊頂反坦克導彈來說，在末端彈道時彈體姿態折轉後，可能會出現攻角為零的情況，這就不屬於一般炮彈的範疇了。

當攻角不為零時，即彈丸軸線與速度方向不重合時，由於攻角的存在，迎面氣流並不作用於彈丸軸線，以至於對彈丸的作用軸並不對稱，由此彈丸迎風面積變大，空氣的阻滯作用增強，迎氣流面的激波大於背氣流面，不論是在亞音速還是在超音速段，總的空氣阻力將由於攻角的存在而顯著增大，此時空氣阻力既不與彈丸軸線共線反向，也不與速度方向共線反向。而是空氣阻力沿彈丸的速度方向和垂直於速度方向的方向產生了分量，這兩個分量，便是切向阻力和升力。

升力和空氣阻力的大小一般是由彈形，飛行速度，空氣密度函數和升力係數等因素共同決定。當攻角較小時，升力係數和攻角呈近似線性關係，很顯然，當攻角為零時，空氣阻力是無法提供升力的。尾翼穩定彈的升力係數和旋轉穩定彈的升力係數隨攻角的變化曲線是不一樣的，但是變化趨勢是差不多的，升力係數也不是個定值，它會隨著飛行器馬赫數的增大而變小。對於存速能力較高的彈藥來說，攻角是相當小的，譬如以下圖的美軍的M829系列尾翼穩定脫殼穿甲彈為例，在飛行中其只有小於等於2度的攻角，甚至約等於0度。

對於有些導彈等攻角較大的飛行器，升力係數往往與攻角的三角函數有關，這裡不多贅述，深究的話書上都能找到。很多飛行器譬如固定翼飛機和導彈同樣也需要攻角來提供升力。攻角也不可能隨便的變大，如果大到了一定程度，超過了失速臨界角，升力係數將會變小，以有翼導彈或者飛機為例，當攻角過大時，翼面下方將會產生渦流，上下翼面將失去壓力差而使翼面失去升力導致失速。