內彈道學

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更新時間: 2013-09-04

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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、彈體運動和其他有關現象及其規律的學科。是彈道學的一個分支。

內彈道學內彈道學

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、彈體運動和其他有關現象及其規律的學科。是彈道學的一個分支。

內彈道學 -簡介
內彈道學相關書籍

槍炮和火箭的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,不斷產生高溫氣體。在密閉的槍炮膛內,高溫氣體直接膨脹做功,推動彈丸向前加速運動,火藥燃氣及部分未完全燃燒的火藥粒也隨著向前運動。同時,作用於膛底的氣體壓力推動槍炮身向後運動。

在線膛武器中,彈丸在直線運動的同時還作旋轉運動。因此,能量在槍炮膛內的變化過程,實際上就是火藥燃氣的部分內能轉化為彈丸、槍炮身以及隨彈丸運動的葯粒、火藥燃氣等的動能的過程。在火箭發動機內,火藥裝葯的燃速比槍炮膛內要低得多,它所生成的高溫氣體經過噴管膨脹作用產生高速氣流,利用氣流向外排出時產生的反作用力推動彈體運動。這兩種發射過程代表了兩種典型的發射方式。以這兩種典型為基礎,還可以演變為其他複雜類型的發射方式。例如,無坐力炮的發射過程就是屬於這兩種典型相結合的發射方式。

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內彈道學 -簡史
內彈道學火炮常識示意圖

內彈道學的理論基礎是在19世紀20~30年代才開始建立的。最先是義大利數學家 J.-L.拉格朗日在1793年對膛內氣流現象作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。1864年H.雷薩爾應用熱力學第一定律建立了內彈道能量方程。1868~1875年英國物理學家、槍炮專家A.諾布耳和英國化學家、爆炸專家F.A.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P.-M.-E.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。

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20世紀20年代以後,隨著氣體動力學的發展,以及射彈向高初速方向發展的需要,膛內物質流動現象已成為基礎理論研究的主要對象,並逐漸形成了新的學術領域。其基本內容就是應用氣動力學原理來描述內彈道過程,建立內彈道偏微分方程組的數學模型,求解方程組即得到非定常流的彈道解。最早研究此問題的是英國地球物理學家 A.E.H.洛夫和數學家F.B.皮達克。他們作出火藥瞬時燃燒的單一氣相假定,建立了最簡單的模型。以後雖然還出現過較複雜的模型,但是限於計算的困難,除了理論意義之外,還不能用於彈道實踐。直到50年代以後,隨著電子計算技術的發展,才使模型的不斷完善和具體應用成為現實。70年代還出現了K.K.郭及P.S.高夫等人所建立的在火藥粒逐層燃燒條件下氣固混合相的模型。這種模型所給出的彈道解,基本上能夠反映出膛內氣流速度及壓力的分佈規律,從而有可能為膛內激波形成機理的研究,提供必要的理論依據。雖然這方面的彈道實踐,目前還處於積累經驗的階段,但就理論基礎而言,已經發展成為以非定常流為基礎的內彈道學術領域。它同以拉格朗日假設為基礎的傳統內彈道學有著很大的差別,但是在實用上兩者各有所長。70年代末,中國學者發表了《內彈道勢平衡理論》文章,提出了內彈道勢平衡的概念。1984年又進一步發表了《內彈道勢平衡理論及其應用》的論文,建立了應用實測膛內p-t曲線研究實際燃氣生成規律及燃速規律的方法,以代替理想化的幾何燃燒定律模型。並相應地建立了較為準確簡便的彈道解法,從而比較系統地提供了一個新的研究途徑。

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在實驗內彈道學方面,由於內彈道過程具有高溫、高壓、高速及時間很短的特點,內彈道的測量技術也相應地有其特點,並已發展成為專門的領域。最早出現的彈道測量是1740年英國數學家、軍事工程師B.羅賓斯應用彈道擺法測量彈丸的初速。19世紀60年代,P.Le布朗日發明了落體測時儀,大大地提高了測量初速的精度,諾布耳用銅柱測壓法測量火炮的最大壓力,並配合音叉測時法應用於密閉爆發器進行壓力隨時間變化的測量。這兩種測量技術的發展,使內彈道學開始進入應用科學的領域,對整個武器的發展具有深遠的意義。但是應用銅柱法還不能準確和完整地測量膛內壓力變化的規律。20世紀30年代以後,又發展了測量膛內壓力隨時間變化的壓電儀器。這種儀器的應用,使內彈道理論和相應的數學模型得到了客觀的檢驗。50年代以後,隨著電子技術和計算技術的發展,廣泛使用了數據自動處理的測速和測壓儀器,測量炮身溫度分佈的熱電偶,測量膛內彈丸位移隨時間變化的微波和激光干涉儀,以及測量膛口彈丸運動姿態和流場變化的高速攝影儀等儀器。在試驗方法方面也趨於應用綜合性多參數的彈道測量,以提供更多的數據。

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內彈道學 -研究對象
內彈道學火炮與炮彈相關知識示意圖

內彈道學的研究對象,歸納起來主要有四個方面:

①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;

②有關槍炮膛內火藥燃氣與固體葯粒的混合流動現象,火箭發動機內的氣流現象以及氣流對火藥燃燒的影響;

③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;

④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。

內彈道學 -研究內容

內彈道學研究的主要內容和基本任務是: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。

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內彈道基本規律和內彈道解法 
上述各種現象既是同時發生而又相互影響,它們之間的關係是通過火藥燃氣的溫度、壓力及彈丸速度等各種量的變化規律來表達的。因此,研究並掌握這些規律就成為內彈道學的一個基本問題。通常是根據對各主要現象的物理實質的認識,分別建立描述過程變化的質量、動量、能量守恆方程及氣體狀態方程,再結合槍炮或火箭發動機的特點,將各相應的方程組成內彈道方程組,對方程組求解的數學過程即稱為內彈道解法。它可以根據給定發射武器的結構數據及裝填條件,解出壓力和速度的變化規律,為武器的改進提供依據。例如對火炮內彈道方程組求解,可以直接給出隨彈丸行程及時間變化的壓力曲線和速度曲線。曲線所表示的變化規律即反映了火炮內彈道的特點。 圖1和圖2中的p、V、l、t分別為炮膛壓力、彈丸速度、彈丸行程和彈丸運動時間;下標m、b、í分別表示最大壓力點、火藥燃燒結束點及炮口點;p0表示彈丸的彈帶全部擠進膛線開始運動時的膛內壓力,稱為擠進壓力。壓力曲線的變化規律表明,炮膛內存在著兩個作用相反的效應:火藥燃燒生成氣體使壓力增長;彈丸向前運動時,彈后的空間增大又使壓力下降。因此,曲線的壓力上升段即表示前者的效應超過後者,而壓力下降段則正好相反。當兩種效應達到瞬態平衡時即為最大壓力pm。在整個過程中,壓力雖然不斷在變化,但彈丸則一直受壓力的作用而不斷加速,從而給出不斷上升的速度曲線。彈丸飛出炮口瞬間的速度Vɡ稱為炮口速度,用實驗方法測算的炮口速度則稱為初速V0。最大壓力和初速是火炮內彈道的兩個重要彈道量,它們是火炮性能和彈藥檢驗的主要標誌量。

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內彈道學內彈道學

火箭內彈道方程組的彈道解僅是隨時間變化的壓力曲線(圖3)。壓力曲線的變化規律表明:火箭發動機的工作過程也存在火藥燃氣生成和氣體經過噴管流出這兩種作用相反的效應。前者使壓力增長,後者使壓力下降。兩者之間有相互制約和自動調節的作用,能夠使兩種效應保持平衡狀態。在穩定情況下,基本上可以保持壓力不變,稱為平衡壓力。平衡壓力是反映火箭內彈道特徵和火箭性能的重要標誌量。

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內彈道規律的應用──內彈道設計 
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,這就是內彈道設計。它也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。

為了選擇最優化的設計方案,內彈道學根據所研究過程的特點,採用了如下的彈道指標作為評定武器彈道性能的主要標準:①最大壓力。炮膛和發動機所承受的最大壓力,是炮身、彈丸、葯筒、引信及發動機等部件強度設計的主要依據。為了減輕部件的重量,在能保證發射武器滿足所要求的射程及威力的條件下,這個指標應儘可能地降低。②示壓係數(或炮膛工作容積利用係數)。火藥燃氣在炮膛內膨脹做功,使彈丸、炮身及火藥燃氣獲得動能的過程表明,壓力隨行程變化的曲線,不僅反映壓力變化的規律,曲線下面的面積還反映出彈丸獲得動能的變化規律,一定的炮口動能與一定的曲線總面積相對應。因此,進行內彈道設計時,在給定最大壓力指標的條件下,為了達到設計要求的炮口動能或曲線總面積,可以從不同的壓力變化規律以及不同的彈丸全行程長度進行選擇(圖4)。在最大壓力pm和曲線總面積都相同的條件下,彈丸全行程長lɡ與壓力曲線下降的平緩程度有關。為了表示曲線的這種特點,常採用曲線積分面積的平均壓力孒與最大壓力pm 的比值(即示壓係數)作為評定指標。這個比值愈大,則曲線下降愈平緩,所設計的炮管將愈短,有利於火炮機動性能的提高。現有火炮的示壓係數一般在 0.5~0.75之間。③彈道效率。根據炮膛內能量轉換過程的特點,火炮內彈道學採用火藥燃氣總內能轉換為炮口動能的百分比,作為評定能量利用效率的指標,稱為彈道效率。為了充分利用火藥能量,這個指標應儘可能地提高。現有火炮的彈道效率一般在20~30%之間。④比衝量(或有效排氣速度)。根據火箭發動機的作用原理,發動機內生成的火藥燃氣,經過噴管的膨脹作用轉化為高速氣流,也就是將火藥燃氣的熱函轉化為氣體本身的動能。火箭內彈道學根據這個特點,採用單位裝藥量所產生的衝量(即比衝量),作為評定能量利用效率的指標。為了充分利用火藥能量,這個指標也應儘可能地提高。現有火藥裝葯火箭所採用的比衝量,一般為2200~2500牛頓·秒/千克。

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內彈道設計方案從選擇到具體實現,除了以上各主要指標之外,還要考慮其他一系列的要求,例如:減少對炮膛及火箭噴管的燒蝕作用以提高壽命;保證彈道性能的穩定性及射擊精度;避免膛內激波的形成;減少炮口焰、炮尾焰和炮口噪音等有害現象以及武器應用的高低溫度範圍等。根據武器的具體情況,這些指標和要求在不同程度上已成為評定武器性能的重要標準,同時也是內彈道學研究工作經常要解決的課題。

能源利用的研究 
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。廣泛應用的方法有兩種,一種是採用燃燒過程中燃燒面不斷增加的火藥,如七孔、十四孔、十九孔等多孔火藥;另一種則採用燃燒速度不斷增加的鈍化火藥。由於這兩種方法受到現有火藥的性能和工藝條件的限制,再進一步發展已較困難。因此,又開展了包覆火藥,鑲嵌金屬絲及塗層金屬火藥,成型組合裝葯,以及隨行裝葯等方法的研究,並取得了初步的成果。20世紀70年代以來,對利用液體燃料作為火炮能源的可能性進行了探索性研究,也取得了一定的進展。

內彈道學 -發展

現代兩相流理論就是在多路壓力曲線測量條件下發展起來的。隨著實驗內彈道學的進一步發展,必將使內彈道學理論日趨完善。

內彈道學 -參考資料

[1] 大科普網 http://www.ikepu.com/strategics/strategics_branch/interior_ballistics_total.htm
[2] 澤澤網 http://www.zzgwu.com/wiki/index.php?doc-view-521446

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