內彈道

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更新時間: 2013-09-04

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內彈道(internal ballistics)是彈道的一部分,主要研究發射過程中槍炮膛內及火箭發動機內的火藥燃燒、物質流動、能量轉換、彈體運動和其它有關現象及其規律。內彈道學研究對各種身管武器都有重要意義。

內彈道 -簡介

  內彈道(internal ballistics)是彈道的一部分,內彈道研究彈丸從點火到離開發射器身管的行為。內彈道學研究對各種身管武器都有重要意義。擊發方法:任何類型的身管武器第一步需要擊發火藥。最早的槍支、大炮由一個一端密封的金屬管組成。 
  參見:外彈道,彈道學
  內彈道學是研究發射過程中槍炮膛內及火箭發動機內的火藥燃燒、物質流動、能量轉換、彈體運動和其它有關現象及其規律的彈道學分支學科。燃燒的發射葯產生具有很高壓力的氣體,使彈丸加速穿過炮膛,直到以預定初速離開炮口。初速是具有一定質量和形狀的彈丸最終要達到的整個射程的基礎。在設計火炮時必須進行計算以保證最正常、最有效地產生所需要的初速。發射裝葯產生的能量用於完成好幾種工作。大部分能量用於賦予彈丸速度。能量還消耗在做下述功上:使彈丸旋轉,克服彈丸與膛壁之間的摩擦力,使發射葯和發射葯氣體在膛內運動以及使火炮后坐部分后坐。有些能量還以熱能的形式損失在身管、炮尾、彈丸和葯筒(如果使用藥筒的話)上。
  發射過程都是從點火開始,通過機械擊發、電熱或其他方式將點火藥點燃,所產生的高溫氣體及灼熱粒子再點燃火藥裝葯,迅即擴展到整個裝葯表面,並同時沿著葯粒厚度向內層燃燒。燃燒進行在一個封閉的空間中,這個空間前由彈丸的彈帶封閉,後有火炮所採用的緊塞裝置封閉,緊塞裝置用於防止火藥氣體從後面逸出。在發射葯氣體的壓力達到能使彈丸運動的程度之前,發射葯的燃燒速度與膛壓增加的速度是成正比例的。所謂「彈丸啟動壓力」就是指使彈丸開始向前運動的壓力。當彈丸沿身管向前運動時,供發射葯氣體佔用的空間增大,因此膛壓的增加速度減小。當空間增加所導致的壓力的增加相等時,膛壓達到最大值。自此以後膛壓開始下降,同時彈丸卻在繼續加速,甚至在發射葯全部燃盡后彈丸仍在繼續加速,只是加速度逐漸減小,彈丸一出炮口即變為減速。下圖說明膛內壓力、彈丸膛內行程和彈丸速度間的關係。
內彈道 -研究對象

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  內彈道學的研究對象,主要是有關點火藥和火藥的熱化學性質,點火和火藥燃燒的機理及規律;有關槍炮膛內火藥燃氣與固體葯粒的混合流動現象,有關彈帶嵌進膛線的受力變形現象,彈丸和槍炮身的運動現象;有關能量轉換、傳遞的熱力學現象和火藥燃氣與膛壁或發動機之間的熱傳導現象等。
  彈丸在膛內的運動大約要消耗掉發射葯產生的能量的25-35%。其餘的能量都在彈丸離開炮口後排入大氣。通過增加身管長度以延長發射葯氣體作用於彈丸時間的方法,還有可能使彈丸初速增加。只是用這種方法增加初速也有其缺點,因為在身管增長超過一定限度后所增加的初速與所帶來的缺點相權衡,是得不償失的。從發射葯燃盡點開始,彈丸速度的增加是越來越平緩的。
  內彈道學主要從理論和實驗上對膛內的各種現象進行研究和分析,揭示發射過程中所存在的各種規律和影響規律的各有關因素;應用已知規律提出合理的內彈道的方案,為武器的設計和發展提供理論依據;有效地利用能源及探索新的發射方式等。
  利用所掌握的內彈道規律,改進現有的發射武器和設計出新型的發射武器,這是內彈道設計 的研究內容。它是以內彈道方程組為基礎的 ,例如根據戰術技術要求所給定的火炮口徑,及外彈道設計所給出的初速、彈重等主要起始數據,解出合適的炮膛結構數據、裝填條件,以及相應的壓力和速度變化規律。
  在內彈道設計方案確定之後,方案的數據就是進一步進行炮身、炮架、葯筒、彈丸、引信及發動機等部件設計的基本依據。因此,發射武器的性能在很大程度上決定於內彈道設計方案的優化程度。
  能源是實現內彈道過程的主要物質基礎,如何選擇合適的能源,有效地控制能量釋放規律,合理地應用釋放的能量以達到預期的彈道效果,一直是內彈道學研究的一個主要問題。
  火藥是最常用的主要能源。早在無煙葯開始應用時對於成形葯粒的燃燒,就採用了全面著火、平行層燃燒的假設,並以單一葯粒的燃燒規律代表整個裝葯的燃燒規律,稱為幾何燃燒定律。它是內彈道學的一個重要理論基礎。長期以來,應用這個定律指導改進火藥的燃燒條件,控制壓力變化規律,以達到提高初速和改善彈道性能的目的。
  在火炮設計中發射葯在膛內的燃盡位置很重要。如果燃盡位置在膛內過於靠前,則很可能會增加耀眼的炮口焰,從而增加被敵人發現的可能性。如果燃盡位置在炮口外,則炮閂在發射葯全部燃盡前有被打開的危險。在設計火炮及其裝葯系統時,必須非常注意這種可能性,特別是對發射后自動開閂的火炮。使燃盡位置適當靠後還有其他一些理由,其中比較重要的是,這樣做能減小各發彈之間的初速差異。很明顯,發射葯在膛內的燃盡點還會影響應力對身管的作用位置和大小。只要考慮到即使是一門105毫米野戰炮要以每秒幾百米的速度把彈丸推出炮口,其膛壓也會大大超過20噸/平方英寸,這就很易理解應對身管應力問題給予極大重視的道理了。
內彈道 -身管所受應力

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  有五種不同類型的應力作用在身管上。它們是梁應力、徑嚮應力、圓周應力、縱嚮應力和扭轉應力。梁應力是身管自身的重量和長度作用在身管上而引起的一種撓曲應力。因此,身管必須具有足夠大的剛度以防止自重引起的彎曲。發射時,發射葯氣體在膛內向身管壁施加一個向外的徑嚮應力。發射葯氣體還產生一個圓周應力,圓周應力沿切向作用在炮膛圓周的任何一點上。當彈丸在膛內運動時,它還產生另外兩種應力:其一是縱嚮應力,其二是扭轉應力。縱嚮應力是由彈帶在膛內的向前運動和彈帶前後的壓力差引起的。縱嚮應力的作用是縱向拉長身管,但是這種應力的作用範圍很小,只限於局部且隨彈丸向前移動。與彈丸的膛內運動有關的第二種應力是扭轉應力。扭轉應力是由於彈丸在膛內運動時扭轉而引起的。扭轉應力產生扭轉作用,其方向與膛線纏度方向相反。
內彈道 -內彈道學發展簡史

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  內彈道學的理論基礎是在19世紀20~30年代才開始建立起來的。最先 進行研究的是義大利數學家拉格朗日,他在1793年對膛內氣流現象做出氣流速度沿軸向按線性分佈的假設,從而確定出膛底壓力與彈底壓力之間的近似關係 ;1664年,雷薩爾應用熱力學第一定律建立了內彈道能量方程;1866~1915年,英國物理學家、槍炮專家諾布耳和英國化學家、爆炸專家艾貝爾根據密閉爆發器的試驗,確定出火藥燃氣的狀態方程。
  19世紀末法國科學家維埃耶總結了前人研究黑火藥燃燒的成果,及無煙火藥的平行層燃燒的現象,建立了幾何燃燒定律的假設。在此假設基礎上採用了相應的火藥形狀函數來描述燃氣生成規律,並用實驗方法確定出燃速函數。根據這些理論基礎已能建立用於進行彈道解的數學模型,從而在理論和實踐上,形成了以幾何燃燒定律和定常流假設為基礎的內彈道學術體系。在近一個世紀的實踐中,這種內彈道體系在武器的設計和彈道實踐中一直起著主要的指導作用。
內彈道 -內彈道分為四個時期

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前期

  指擊發底火后發射葯被引燃,到單帶全部擠進膛線時的瞬間。
  擊發底火點燃發射葯,發射葯迅速燃燒形成膛內壓力P 其被成為點火壓力,一般2MPA-5MPA 發射藥引燃后隨膛內壓力增加彈帶產生塑性變形擠入膛線當彈帶全部擠入膛線時阻力最大繼續向前運動彈帶產生塑性變形后阻力下降最大阻力對應的膛壓為「擠進壓力」。
  在內彈道學中設膛壓達到擠進壓力時彈丸才開始運動所以常將擠進壓力成為「啟動壓力」火炮中擠進壓力為25MPA-40MPA槍械中為40MPA-50MPA。
特點

  發射葯在定容條件下燃燒,認為彈丸並未運動,實際上因為彈帶有一定寬度當其全部嵌入膛線時有很小的位移。前期發射葯燃燒量大約為全部發射葯的百分之五。
第一時期

  是指從彈帶嵌入膛線到發射葯全部燃完的瞬間。不斷增加的火藥燃氣增加膛壓,彈丸后不斷增大的空間 溫度的降低使膛壓下降,但燃氣量上升漸被膛壓下降所抵消,當對膛壓影響的兩個相反因素相當時出現一個相對平衡的瞬間,此時的膛壓稱謂最大膛壓,最大膛壓出現在身管的火炮口徑倍數為2到7倍時,此後彈丸速度隨壓力做功而增加,彈完后空間增大,燃氣密度相對減小。現代火炮中一般為250MPA-350MPA。
第二時期

  是指從發射葯燃完到彈丸底飛離身管口斷面為止。
  從前期到第二時期結束統稱為膛內時期,現代火炮膛內時間一般小於0.01S在極短的時間要使速度從0增值炮口速度其加速度是很大的。
後效時期

  是指彈丸底飛離膛口斷面到火藥燃氣壓力使膛口保持臨界斷面(即膛口氣流速度等於該面當地聲音)的限值為止。
  後效時期開始燃氣從炮口噴出,燃氣速度大於彈丸速度,繼續作用於彈丸底部推動彈丸加速前進知道火藥燃氣對彈丸的推力和空氣的阻力相平衡時為止炮口前速度增至最大值,隨後燃氣向四周擴散壓力大幅下降,降至0.18MPA時為止。

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