內(nèi)彈道學(xué)概述及火藥的基本知識課件

1、第章內(nèi)彈道學(xué)概述及火藥的基本知識.內(nèi)彈道學(xué)概述.火藥的基本知識返回.內(nèi)彈道學(xué)概述.火炮發(fā)射的內(nèi)彈道過程火藥（發(fā)射藥）為發(fā)射彈丸提供了能源。在適當(dāng)?shù)耐饨缒芰孔饔孟?，火藥自身能在密閉條件下進(jìn)行迅速而有規(guī)律的燃燒，同時(shí)生成大量高溫燃?xì)狻Ｔ趦?nèi)彈道過程中，身管中的固體火藥通過燃燒將蘊(yùn)含在火藥中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，彈后空間中的熱氣急劇膨脹，從而驅(qū)動(dòng)彈丸在身管內(nèi)聲速前進(jìn)。為了發(fā)射彈丸，首先要點(diǎn)燃發(fā)射藥。擊發(fā)是整個(gè)彈道過程的開始，通常利用機(jī)械方式（或用電、光）作用于底火（或火帽），使底火藥著火。現(xiàn)代大口徑或者大威力火炮中普遍采用中心傳火管，這對于提高藥床的點(diǎn)火一致性、減小壓力波、提高發(fā)射的安全性，具有非常重要

2、的意義。圖顯示了不同尺寸和類型的底火和傳火管。下一頁返回.內(nèi)彈道學(xué)概述傳統(tǒng)底火被擊發(fā)后，底火產(chǎn)生的火焰穿過底火蓋而引燃火藥床中的點(diǎn)火藥，使點(diǎn)火藥燃燒產(chǎn)生高溫、高壓的燃?xì)夂妥茻岬墓腆w微粒，通過對流換熱的方式，首先將靠近點(diǎn)火源的發(fā)射藥點(diǎn)燃；然后，點(diǎn)火藥和發(fā)射藥的混合燃?xì)庵饘拥攸c(diǎn)燃整個(gè)火藥床。這就是內(nèi)彈道過程開始階段的點(diǎn)火和傳火過程。在完成點(diǎn)火、傳火過程之后，火藥的燃燒產(chǎn)生許多高溫、高壓燃?xì)?，推?dòng)彈丸運(yùn)動(dòng)。彈火炮彈道學(xué)（第版）丸開始啟動(dòng)瞬間的壓力稱為啟動(dòng)壓力。彈丸啟動(dòng)后，因彈帶的直徑略大于膛內(nèi)陰線的直徑，彈帶必須逐漸擠進(jìn)膛線。當(dāng)彈帶全部擠進(jìn)時(shí)，彈帶已被膛線刻成溝槽并與膛線緊密吻合（如圖所示），此時(shí)相

3、應(yīng)的燃?xì)鈮毫ΨQ為擠進(jìn)壓力。這個(gè)過程也稱為擠進(jìn)過程。上一頁下一頁返回.內(nèi)彈道學(xué)概述彈帶全部擠入膛線后，彈后空間的火藥固體仍在繼續(xù)燃燒而不斷補(bǔ)充高溫燃?xì)?，高溫、高壓氣體通過急速膨脹而做功，使火炮以及身管膛內(nèi)產(chǎn)生了多種形式的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，包括彈丸的直線運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（對于線膛身管），彈帶與膛線之間的摩擦，正在燃燒的藥粒和燃?xì)獾倪\(yùn)動(dòng)，火炮后坐部分的后坐運(yùn)動(dòng)，火藥氣體與身管、身管與外界的熱交換，身管的彈性振動(dòng)等。所有這些運(yùn)動(dòng)既同時(shí)發(fā)生又相互影響，形成了復(fù)雜的射擊現(xiàn)象。不同階段的內(nèi)彈道過程如圖所示。膛內(nèi)不同現(xiàn)象的相互制約和相互作用形成了膛內(nèi)燃?xì)鈮毫ψ兓奶匦浴Ｆ渲?，火藥燃?xì)馍伤俾屎陀捎趶椡柽\(yùn)動(dòng)而形成的彈后空

4、間增加的速率，是決定這種變化的兩個(gè)主要因素。上一頁下一頁返回.內(nèi)彈道學(xué)概述前者的增加使壓力上升，后者的增加使壓力下降，而壓力的變化又反過來影響火藥的燃燒和彈丸的運(yùn)動(dòng)。在開始階段，燃?xì)馍伤俾实挠绊懗^彈后空間增長的影響，壓力曲線將不斷上升。當(dāng)這兩種相反效應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，膛內(nèi)達(dá)到最大壓力。而后隨彈丸速度的不斷增大，彈后空間增大的影響超過燃?xì)馍伤俾实挠绊?，膛?nèi)壓力開始下降。當(dāng)火藥全部燃完時(shí)，膛壓曲線隨彈丸運(yùn)動(dòng)速度的增加而不斷下降，直至彈丸射出炮口，至此就完成了整個(gè)內(nèi)彈道過程。這時(shí)的燃?xì)鈮毫ΨQ為炮口壓力，彈丸速度稱為炮口速度。典型的內(nèi)彈道曲線如圖所示。當(dāng)彈丸飛出炮口之后，在它后面的火藥氣體也隨之一起

5、流出（如圖所示），由于這時(shí)氣體的速度大于彈丸的速度，所以對彈丸仍然起一定的推動(dòng)作用，從而使彈丸的速度繼續(xù)增加。上一頁下一頁返回.內(nèi)彈道學(xué)概述但是，由于氣體出炮口之后，要向四周迅速擴(kuò)散，因而在炮口前的一定距離上，火藥氣體的速度很快衰減到小于彈丸運(yùn)動(dòng)的速度，對彈丸不再起加速作用，這時(shí)彈丸就達(dá)到射擊過程中的最大速度。.內(nèi)彈道學(xué)的研究內(nèi)容及任務(wù)火炮發(fā)射時(shí)發(fā)生了復(fù)雜的物理、化學(xué)、傳熱以及機(jī)械現(xiàn)象，不同形式能量之間發(fā)生了非常迅速的轉(zhuǎn)化：固體火藥的化學(xué)能首先轉(zhuǎn)化為火藥燃?xì)獾臒崮?，然后轉(zhuǎn)化為“彈丸火藥后坐部分”系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能。內(nèi)彈道過程所經(jīng)歷的時(shí)間是非常短暫的，只有幾毫秒到十幾毫秒。上一頁下一頁返回.內(nèi)彈道學(xué)

6、概述因此，從一般力學(xué)的范圍來看，膛內(nèi)的各種相互作用和輸運(yùn)現(xiàn)象具有瞬態(tài)特征，它屬于瞬態(tài)力學(xué)范疇；從熱力學(xué)范圍來看，膛內(nèi)射擊過程是一個(gè)非平衡態(tài)不可逆過程；從流體力學(xué)的觀點(diǎn)來看，膛內(nèi)射擊現(xiàn)象又屬于一個(gè)帶化學(xué)反應(yīng)的非定常的多相流體力學(xué)問題。根據(jù)內(nèi)彈道過程中所發(fā)生的各種現(xiàn)象的物理實(shí)質(zhì)，可將內(nèi)彈道學(xué)所要研究的內(nèi)容歸納為以下幾個(gè)方面的問題：有關(guān)點(diǎn)火藥和火藥的熱化學(xué)性質(zhì)、燃燒機(jī)理以及點(diǎn)火、傳火的規(guī)律；有關(guān)火藥燃燒及燃?xì)馍傻囊?guī)律；有關(guān)槍炮膛內(nèi)火藥燃?xì)夂突鹚庮w粒的多維、多相流動(dòng)及其相間輸運(yùn)現(xiàn)象；上一頁下一頁返回.內(nèi)彈道學(xué)概述有關(guān)膛內(nèi)壓力波產(chǎn)生機(jī)理、影響因素及抑制技術(shù)；有關(guān)彈帶擠進(jìn)膛線的受力變形現(xiàn)象，彈丸以及炮身

7、的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；有關(guān)膛內(nèi)能量轉(zhuǎn)換及傳遞的熱力學(xué)現(xiàn)象和燃?xì)馀c膛壁之間的熱傳導(dǎo)現(xiàn)象；在這些現(xiàn)象研究的基礎(chǔ)上，建立起反映內(nèi)彈道過程中物理化學(xué)實(shí)質(zhì)的內(nèi)彈道數(shù)學(xué)模型和相應(yīng)方程。.內(nèi)彈道學(xué)的研究方法內(nèi)彈道學(xué)和其他自然科學(xué)一樣，主要是通過理論分析、試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬等手段，來掌握射擊過程的物理化學(xué)本質(zhì)，找出其內(nèi)在的規(guī)律，達(dá)到認(rèn)識和控制射擊現(xiàn)象的目的。上一頁下一頁返回.內(nèi)彈道學(xué)概述.理論分析通過對射擊過程中各種現(xiàn)象的分析，認(rèn)識其物理實(shí)質(zhì)和相互之間的關(guān)系；抓住影響射擊過程的主要因素，例如不同能量之間的相互轉(zhuǎn)化和能量守恒，忽略或暫不考慮某些次要因素，給出反映射擊過程的物理模型；再根據(jù)流體力學(xué)、熱力學(xué)、傳熱學(xué)、化學(xué)及數(shù)

8、學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科構(gòu)造出數(shù)學(xué)模型，也就是建立起描述膛內(nèi)射擊過程的內(nèi)彈道基本方程。對于內(nèi)彈道學(xué)問題，可以運(yùn)用不同層次的氣體動(dòng)力學(xué)模型來進(jìn)行求解，這包括零維模型、一維（）模型、二維（）模型和三維（）模型。零維氣體動(dòng)力學(xué)模型假定某一瞬間的整個(gè)彈后空間的氣流狀態(tài)參數(shù)（、和）可以用其平均值來表示，這是經(jīng)典內(nèi)彈道理論解決問題所采用的典型方法。上一頁下一頁返回.內(nèi)彈道學(xué)概述一維模型假定參數(shù)、和只隨時(shí)間變化，二維模型假定這些參數(shù)隨兩個(gè)坐標(biāo)的變化而變化，三維模型假定這些參數(shù)隨空間的個(gè)坐標(biāo)變化。經(jīng)典內(nèi)彈道數(shù)學(xué)模型是建立在以下幾個(gè)基本假設(shè)的基礎(chǔ)之上的：火藥燃燒服從幾何燃燒定律，即整個(gè)發(fā)射藥同時(shí)點(diǎn)火，并按平行層或同心層逐步

9、燃燒?；鹚幍娜紵窃趶椇罂臻g中的瞬態(tài)平均壓力下進(jìn)行的，燃燒速度與壓力成正比式或指數(shù)式。彈后空間火藥和火藥氣體的質(zhì)量是均勻分布的，從而可以推得，彈后空間速度呈線性分布，彈后壓力呈拋物線分布。上一頁下一頁返回.內(nèi)彈道學(xué)概述火藥氣體服從僅有余容修正項(xiàng)的范德瓦爾斯?fàn)顟B(tài)方程，即諾貝爾狀態(tài)方程，而火藥氣體的熱力學(xué)量（如火藥力、余容、比熱比等）在射擊過程中被認(rèn)為是常量。彈丸擠進(jìn)所消耗的功不單獨(dú)考慮，擠進(jìn)過程被認(rèn)為是瞬時(shí)完成的。火藥及火藥氣體運(yùn)動(dòng)、火炮后坐、彈丸旋轉(zhuǎn)和摩擦阻力等因素的影響不做細(xì)致的個(gè)別計(jì)算，而由一個(gè)總的虛擬質(zhì)量系數(shù)來描述。習(xí)慣上把這些因素當(dāng)作次要的。這些次要因素對能量方程和彈丸運(yùn)動(dòng)方程折算的虛

10、擬系數(shù)是不一樣的，且一般說是個(gè)變量，但假定它們相等且為常量。管壁的熱散失不直接計(jì)算，一般通過一個(gè)熱量損失系數(shù)來考慮。上一頁下一頁返回.內(nèi)彈道學(xué)概述.數(shù)值模擬在建立了內(nèi)彈道基本方程的基礎(chǔ)上，可以根據(jù)射擊過程的初始條件和內(nèi)膛結(jié)構(gòu)的邊界條件進(jìn)行數(shù)值模擬。在經(jīng)典內(nèi)彈道學(xué)范疇內(nèi)，主要是求解常微分方程的初值問題。.試驗(yàn)研究它是內(nèi)彈道學(xué)的一個(gè)重要組成部分，也是檢驗(yàn)內(nèi)彈道理論和數(shù)值模擬的根本依據(jù)。膛內(nèi)過程由于具有高溫、高壓、聲速和瞬態(tài)的特點(diǎn)，給內(nèi)彈道試驗(yàn)研究帶來一定的困難。然而，近代光學(xué)和電子技術(shù)的高度發(fā)展也極大地促進(jìn)了彈道試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，測壓和測速技術(shù)已達(dá)到比較高的水平。上一頁下一頁返回.內(nèi)彈道學(xué)概述試驗(yàn)研

11、究包括火藥的點(diǎn)火和燃燒，火藥顆粒運(yùn)動(dòng)、擠壓和破碎，相間傳熱和阻力，彈帶擠進(jìn)過程等基礎(chǔ)研究，以及膛內(nèi)燃?xì)鈮毫?、彈丸運(yùn)動(dòng)規(guī)律和燃?xì)鉁囟茸兓膬?nèi)彈道性能綜合試驗(yàn)研究。.內(nèi)彈道學(xué)在武器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用內(nèi)彈道學(xué)在槍炮武器設(shè)計(jì)中的作用，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：內(nèi)彈道學(xué)是槍炮設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)。內(nèi)彈道學(xué)的研究主要服務(wù)于現(xiàn)有武器彈道性能的改進(jìn)和新武器彈道設(shè)計(jì)方案的提出，因此，內(nèi)彈道學(xué)的理論和實(shí)踐就是為武器設(shè)計(jì)及武器彈道性能分析提供理論基礎(chǔ)，事實(shí)上，整個(gè)武器彈藥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)往往是以內(nèi)彈道計(jì)算和內(nèi)彈道設(shè)計(jì)為先導(dǎo)的。上一頁下一頁返回.內(nèi)彈道學(xué)概述在武器彈藥系統(tǒng)設(shè)計(jì)中起協(xié)調(diào)作用?；鹋谖淦鲝椝幭到y(tǒng)的設(shè)計(jì)包括火炮、彈丸、引信、藥筒

12、、底火及發(fā)射裝藥等設(shè)計(jì)。在具體的實(shí)踐當(dāng)中，它們之間往往會(huì)發(fā)生各種矛盾。例如，在內(nèi)彈道設(shè)計(jì)中，最大壓力的確定不僅影響到火炮的內(nèi)彈道性能，而且直接影響到火炮、彈丸、引信和裝藥等設(shè)計(jì)的問題。最大壓力選擇得是否適當(dāng)將影響到武器彈藥系統(tǒng)設(shè)計(jì)的全局。因此，可通過內(nèi)彈道的優(yōu)化設(shè)計(jì)將武器彈藥系統(tǒng)之間的矛盾協(xié)調(diào)起來，在總體上實(shí)現(xiàn)武器彈藥系統(tǒng)良好的彈道性能。火炮武器彈道性能的評價(jià)作用。武器彈道性能的優(yōu)劣必須通過某些彈道參量來衡量，進(jìn)而評價(jià)武器彈道性能是否滿足火炮武器系統(tǒng)總體性能的要求。上一頁下一頁返回.內(nèi)彈道學(xué)概述內(nèi)彈道性能評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)包括：火藥能量利用效率的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、炮膛工作容積利用效率的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、火藥相對燃燒結(jié)束

13、位置、炮口壓力和身管壽命等。射擊安全性是武器彈藥系統(tǒng)設(shè)計(jì)中一個(gè)十分重要的問題。以高膛壓、高初速和高裝填密度為特征的高性能火炮，在射擊過程中容易產(chǎn)生大振幅的危險(xiǎn)壓力波，由此可能引起災(zāi)難性的膛炸事故。因此，利用內(nèi)彈道的相關(guān)理論給出射擊安全性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是非常必要的。上一頁下一頁返回.內(nèi)彈道學(xué)概述在火炮新發(fā)射原理研究中起指導(dǎo)作用。內(nèi)彈道學(xué)是研究火炮發(fā)射原理的科學(xué)，在內(nèi)彈道理論的發(fā)展過程中，可以派生出一些發(fā)射技術(shù)的新概念，并形成新的發(fā)射原理，如超高初速的輕氣炮發(fā)射技術(shù)、隨行裝藥技術(shù)、鈍化和包覆裝藥技術(shù)，以及液體發(fā)射藥火炮、電熱化學(xué)炮等新概念和新能源技術(shù)的應(yīng)用，都離不開內(nèi)彈道理論的指導(dǎo)。上一頁返回.火藥的基本知識.火藥的化學(xué)成分、制造過程和性能特點(diǎn)傳統(tǒng)的火炮或輕武器都以火藥作為射擊的能源，主要是因?yàn)樗哂羞@樣一些優(yōu)點(diǎn)：首先，火藥是一種固體物質(zhì)，其生產(chǎn)、貯存、運(yùn)輸、使用比較方便；其次，在射擊過程中，經(jīng)過點(diǎn)火作用產(chǎn)生急速的化學(xué)變化，火藥分解出大量的高溫氣體，這些氣體在一定的條件下膨脹做功，從而使炮膛中的彈丸獲得較大的速度；通過火藥的成分、形狀和尺寸的變化可以控制它的燃燒規(guī)律，從而控制射擊現(xiàn)象，達(dá)到我們所要求的彈道性能?；鹚幫ǔ７譃榛旌匣鹚幒腿芩芑鹚巸纱箢?。下一頁返回.火藥的基本知識.火藥的能量特征量上面已經(jīng)說過，火藥的種類許多，性質(zhì)也各不相同，而火藥的性質(zhì)直接影響到武器的彈道性能，因此必須引