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第2章内弹道部分-part1内弹道系统简介

归档日期:06-21       文本归类:弹道学      文章编辑:爱尚语录

  第2章内弹道部分-part1内弹道系统简介_信息与通信_工程科技_专业资料。第二章 内弹道部分 内弹道部分 (Interior Ballistics) §1 火炮系统及内弹道发展简史 §2 火药燃烧规律经典理论 §3 弹丸在膛内的运动 §4 内弹道的解法与设计 §5 短程

  第二章 内弹道部分 内弹道部分 (Interior Ballistics) §1 火炮系统及内弹道发展简史 §2 火药燃烧规律经典理论 §3 弹丸在膛内的运动 §4 内弹道的解法与设计 §5 短程内弹道 §1 火炮系统及内弹道发展简史 1、火炮系统 2、内弹道过程 3、内弹道发展简史 内弹道部分 §2 火药燃烧规律经典理论 1、火药的几何燃烧定律 2、火药的燃烧速度定律 3、火药气体状态方程 §3 弹丸在膛内的运动 1、膛内能量转换 2、弹带挤进膛线、弹丸膛内火药燃气的运动 2 内弹道部分 §4 内弹道的解法与设计 1、内弹道方程组的建立 2、内弹道方程的解法 3 、内弹道设计方案的评价标准与设计步骤 4、装填条件对弹道的影响 §5 短程内弹道 3 内弹道部分 §1 内弹道系统及内弹道发展简史 火炮系统 声管 ---?炮闩、药室、坡膛、膛线 火药 ---?最常用的主要能源 弹丸 ---?质量、外形、采用的稳定方式 4 §1 内弹道系统及内弹道发展简史 火炮系统 火炮: 以发射药为能源,利用火药燃气 压力抛射弹丸等战斗部,口径等 于和大于 20mm的身管射击武器。 为什么以口径划分? d? S ? ?d 2 ? P ? d 2 ? 后坐力 m ? d 3 ? E g ? d 3 ? 威力 ? 结构 ? 设计思想 5 现代的火炮: 火 炮 6 火炮系统: 7 火炮的作用: 现代火炮配置于地面、空中、水上的各种运载武 器平台上。 进攻时用于摧毁敌方的防御设施,杀伤有生力量, 毁伤装甲车辆和空中飞行物等运动目标,压制敌方的 火力,实施纵深火力支援,为后续部队开辟进攻通道。 防御时用于构成密集的火力网,阻拦敌方从空中、 地面的进攻,对敌方的火力进行反压制;在国土防御 中用于驻守重要设施,进出通道及海防大门。 8 火炮的地位特点: 1)构成地空配套、梯次衔接、点面结合的 火力网,没有火力盲区; 2)装备数量最大的基本武器; 3)机动性良好,火力转移灵活; 4)生存能力和抗干扰能力较强; 5)持续作战能力强; 6)经济性良好。 火炮在战争中的地位: 第二次世界大战中火炮被誉为“战争之神”。 现代战场上常规武器的火力骨干 。 未来战争仍不可替代。 9 火炮工作状况及特点: 1 )发射过程极短; 2 )经历高温、高压、高速、高加速度过程; 3 )高频率重复; 4 )伴随发生许多特殊的物理化学现象; 5 )使用时能适应严寒酷暑、风沙淋雨环境; 6 )满足长期储存的要求; 7 )工作可靠地,达到必要的工作寿命。 10 11 炮 身 完成炮弹的装填和发射,并赋予弹丸 初速和方向的火炮主要部件。 承受火药气体压力,引导 弹丸运动。 身管 炮闩 12 身管的分类 ( 1 )按内膛结构分 线 )按身管结构分 单筒身管 活动身管 紧固身管(筒紧、丝紧、自紧、复合材料身管) 14 火炮中针对降低爆温常采用措施: 护膛带:TiO2 除铜剂:铅丝 15 内膛结构 药室部 坡膛 导向部 16 膛线的结构: 膛线是指刻在枪管内壁上的螺旋形曲线,它可以使弹头在出膛以后象陀螺 一样旋转,而不容易翻转。膛线的设计制造对于性能的影响非常巨大。膛线 的数量由两条导数十条不等,现代的步枪和手枪多采用四到六条膛线。膛线的形 状很多,通常采用矩形、梯形、梅花形等。 缠角与缠度 缠角:是指膛线上任意一点的切线与枪管轴线形成的夹角; 缠度:是指膛线旋转一周在枪管轴线上所需的投影距离。 缠角 tg?= ?d ?d 导程 h=?d ? ?? tg? 17 t 膛线的结构: 阳线 阴线 膛线条数 a b d 膛室 炮管 )α ηd 膛喉 炮膛 膛线 πd 缠角 tg?= 炮管螺纹 ?d ?d 18 膛线与炮膛轴线的夹角 当膛线旋转一周时沿轴线方向前进的距离 导程 h=?d 缠角 等齐膛线 渐速膛线 混合膛线 缠度 α L=ηd ? ?? tg? πd 19 内弹道部分 §1 火炮系统及内弹道发展简史 内弹道过程 内弹道学是研究发射过程中枪炮膛内的火药燃烧、物 质流动、能量转换、弹体运动和其它有关现象及其规 律的弹道学分支学科。 闩体 炮尾 底火 发射药 弹带 定心部 炮管体 击针 点火药 药筒 弹丸 膛线 闩体 炮尾 底火 发射药 弹带 定心部 炮管 体 内弹道部分 击针 点火药 药筒 弹丸 膛线 击针撞击底火或电流点燃底火后,底火中的药剂爆燃, 其火焰、气体及固体灼热粒子进入药室,引燃点火药, 点火药燃烧的同时点燃火药装药。定容点火阶段 主要的火药装药燃烧后,产生的高温高压气体膨胀,推 动弹丸,弹带逐步嵌入膛线。由于弹带发生激烈的塑性 变形和摩擦,就产生了很大的阻力,弹带全宽进入弹带 后,阻力达到最大值。弹带阶段 弹丸启动后,一方面被火药燃气直线加速,一方面绕炮 膛轴线旋转,直至炮口。在此期间,燃烧着的火药及火 药燃气随着弹丸一起向前运动,炮身则向后运动,并产 21 生炮口光、炮口焰、冲击波和噪声。 内弹道部分 膛室 炮管 炮管螺纹 膛喉 炮膛 膛线 炮管示意图 在密闭的枪炮膛内,高温气体膨胀做功,推动弹丸向前 加速运动,火药燃气及部分未完全燃烧的火药粒也随着向前 运动。同时,作用于膛底的气体压力推动枪炮身向后运动。 在线膛武器中,弹丸在直线运动同时还作旋转运动。 22 内弹道部分 底火 弹壳 装药 弹头 壳底 退壳槽 壳壁 壳肩 壳颈 壳口 23 内弹道部分 膛内 燃烧 火药装药 (化学潜能 ) 燃 气 (热能 ) (机械能 ) 膨胀 做功 弹丸、未燃火药、燃气及 武器的运动 身管武器发射过程中的能量转换 身管武器射击过程是能量释放和转换过程,具有以下特点: 高温 ─膛内火药燃气最高温度可达 2500~3500K; 高压 ─膛内压力可高达245~600MPa; 高速 ─弹丸出炮口的速度可达 300~1500m/s; 时间短 ─长身管火炮射击过程只有几毫秒至几十毫秒。 24 内弹道部分 内弹道学的研究对象:四方面 有关点火药和火药的热化学性质,点火和火药 燃烧的机理及规律;有关枪炮膛内火药燃气 与固体药粒的混合流动现象,以及所产生的 压力波现象;有关弹带嵌进膛线的受力变形 现象,弹丸和枪炮身的运动现象;有关能量 转换、传递的热力学现象和火药燃气与膛壁 之间的热传导现象等。 25 内弹道部分 内弹道学研究的目的和意义: 主要从理论和实验上对膛内的各种现象进行 研究和分析,揭示发射过程中所存在的各种 规律和影响规律的各有关因素;应用已知规 律提出合理的内弹道的方案,为武器的设计 和发展提供理论依据;有效地利用能源及探 索新的发射方式等。 26 内弹道部分 内弹道主要参量的 变化规律 27 最大压力和初速是枪炮内弹道的两个最重要的弹道量。 内弹道部分 §1 内弹道系统及内弹道发展简史 内弹道发展简史 内弹道学理论基础是在 19世纪20~30年代开始建立。最先研 究的是意大利数学家拉格朗日,他确定出膛底压力与弹底压 力之间的近似关系;1664年,雷萨尔应用热力学第一定律建 立了内弹道能量方程; 1866~1915年,英国物理学家、枪炮 专家诺布耳和英国化学家、爆炸专家艾贝尔根据密闭爆发器 的试验,确定出火药燃气的状态方程。 19世纪末法国科学家维埃耶建立了几何燃烧定律的假设。在 此假设基础上采用了相应的火药形状函数来描述燃气生成规 律,并用实验方法确定出燃速函数。根据这些理论基础形成 28 了以几何燃烧定律和定常流假设为基础的内弹道学术体系。 内弹道部分 §1 内弹道系统及内弹道发展简史 内弹道发展简史 20世纪 20年代以后,膛内物质流动现象已成为基础理论 研究的主要对象,其基本内容就是应用气动力学原理来 描述内弹道过程,建立内弹道偏微分方程组的数学模型, 求解方程组即得到非定常流的弹道解。 20世纪 70年代建立火药粒逐层燃烧条件下气固混合相的 模型。这种模型所给出的弹道解,基本上能够反映出膛 内气流速度及压力的分布规律,从而有可能为膛内激波 形成机理的研究,提供必要的理论依据。 29 内弹道发展简史 内弹道部分 实验内弹道学方面,最早的弹道测量是1740年英国数学家、 军事工程师罗宾斯应用弹道摆法测量弹丸的初速。 19世纪 60年代,布朗日发明了落体测时仪,诺布耳用铜柱 测压法测量火炮的最大压力,并配合音叉测时法应用于密 闭爆发器,进行压力随时间变化的测量。 20世纪 30年代以后,发展了测量膛内压力随时间变化的压 电仪器。 50年代以后,广泛使用了数据自动处理的测速和 测压仪器,测量炮身温度分布的热电偶,测量膛内弹丸位 移随时间变化的微波和激光干涉仪,以及测量膛口弹丸运 动姿态和流场变化的高速摄影仪等仪器。随着实验内弹道 学的进一步发展,必将使内弹道学理论日趋完善。 30 计算内弹道学 计算内弹道学是在现代内弹道学、计算流体 力学与计算机科学的基础上发展起来的一门交叉学 科。包括内弹道数值计算所用到的计算方法、内弹 道的理论模型。根据内弹道循环过程中高温、高压、 高速、瞬态与剧烈化学反应的特点,建立物理模型 与数学模型;依据内弹道数学方程的性质,采用相 应的计算方法进行数值求解;针对不同类别的内弹 道问题,采取不同的内弹道模型与计算方法。 31 内弹道部分 §2 火药燃烧规律经典理论 火药及其物化标识量 【火药简介】 ? ? 中国四大发明之一。人类文明史上的一项杰出的成就。 火药是低爆速炸药的一类。可由火花、火焰等引起燃烧 的药剂。燃烧时发生大量的气体,具有爆破作用或推动作 用 (使物体如弹丸以一定的速度发射出去)。最早应用的是 我国发明的黑色火药。根据燃烧时的性质,可分为有烟火 药 (燃烧时发烟,如黑色火药 )和无烟火药两类。主要用作 引燃药或发射药。 火药又被称为黑火药。是在适当的外界能量作用下, 自身能进行迅速而有规律的燃烧,同时生成大量高温燃气 的物质。在军事上主要用作枪弹、炮弹的发射药和火箭、 导弹的推进剂及其他驱动装置的能源,是弹药的重要组成 32 部分。 33 内弹道部分 【火药的分类】 火药是武器发射弹丸的能源,按用途可分为点火药、发 射药、固体推进剂。其中发射药又分为:枪用发射药、炮 用发射药、弹射座椅发射药等。固体推进剂又分为火箭用 固体推进剂、导弹用固体推进剂。 按火药燃烧时外部特征可分为有烟药与无烟药:按火 药燃烧时的表面积变化情况不同,可分为减面燃烧火药、 恒面燃烧火药、增面燃烧火药。 按火药成型工艺可分为:压制火药、铸造火药、混合 火药等。按火药的某些特点可分为易挥发性火药、难挥发 性火药。 最常用的是按火药按结构分为均质火药和异质火药, 因为结构不同,带来工艺性质、燃烧性质和物理力学性能 等均有显著差别。均质火药又分为:单基药、双基药、多 基药、改性双基药。双基药再分为柯达型双基药、巴列斯 34 太型双基药。异质火药又分为黑火药、复合火药等。 ? 单基火药 (single base power)又称硝化棉火药,主要成份为硝 化棉(硝化纤维)(NC),含NC为95%。 ? 双基火药 (double base power or nitroglycerine power)又称硝化 甘油火药(以两种主要成份为基础,其主要成份为硝化棉(NC) 和硝化甘油(NG)或其它活性硝酸酯(如硝化乙二醇: nitroglycol)。 ? 硝基胍火药 ,三基药,由硝化二乙二纯、硝基胍和硝化棉组成。 特点:燃烧温度较低,可减小炮膛烧蚀。又称为冷火药。 ? 高聚物复合火药(composite propellants)用于火箭的发射装药— —又称固体推进剂。其主要组份是以高分子化合物,金属粉 (铝粉)等为可燃剂,固体氯酸盐(如高氯酸铵)等为主要氧 化剂成份,还含有RDX或HMX。 35 ? 硝化棉火药 这种火药是由含氮量较高 (约为 12. 9%~13. 3% )的硝化棉与 含氮量较低 (约为11. 9%~ 12. 3% )的硝化棉混合成配方规定的含氮 量 N%,再溶于乙醇和的混合溶剂中,使硝化棉胶化成塑性物, 经压制成形,再脱去溶剂而耕成。制成后的火药成分中,硝化棉约占 94%~ 98%,另含有少量的安定剂 (二苯胺)以保持火药在长期存放中 的化学安定性;还有少量的残留溶剂存在于火药胶体中,称为内挥发 份;以及少量的残留水分,称为外挥发份。内外挥发份的总和称为总 挥发份。这种火药中所含的含能物质主要是硝化棉,故又简称为单基 药。 这类火药在制造过程中,为了易于排除药粒单体内的溶剂,火 药的厚度不能不受到一定的限制,因而一般应用于中小口径的武器。 此外,由于这类火药成品含有一定的挥发份并具有定的吸湿性,因此, 在火药贮存期间,随着溶剂的挥发和所含水份的变化,对其内弹道性 能将产生一定的影响。为了保持其弹道性能稳定性,必须提供良好的 36 密封条件和贮存环境。 ?硝化甘油火药 硝化甘油是一种难挥发的液态爆炸物质,它可以溶解含氮量较低 的硝化棉而形成可塑体,压制成型后,就是硝化甘油火药,简称为双 基药。这类火药的硝化甘油含量通常可在 25%~ 60%的幅度内变动, 通过其含量的变动使火药的能量 6能适应多种弹道性能要求。此外,制 造这类火药不存在排除溶剂的问题,因而生产周期较短,适于制造厚 度较大的火药。但是由于其燃烧温度较高,使炮膛易于烧蚀。为了降 低其对炮膛的烧蚀,通常加入二硝基甲苯这类芳香族化合物作为降温 剂;同时还作为增塑剂,使火药的物理结构更为致密,不易吸湿。这 类火药多用于大口径火炮,称为双芳型火药。 硝化二乙二醇与硝化甘油同属于硝酸酯化合物,又都是能溶解硝化 棉的液态爆发物,因此,硝化二乙二醇也可作为溶剂而制成火药,称 为双乙火药。在双乙火药中再加入二硝基甲苯作降温剂,则称为乙芳 火药。这类火药的燃烧温度略低于硝化甘油火药,所以对炮膛的烧蚀 性较小,这是它的主要优点。 含硝化甘油的火药,在长期贮存中,虽然不存在像硝化棉火药那 样的挥发性溶剂及水份的变化问题,但也有硝化甘油渗出的所谓“渗 37 油”现象。 硝基胍火药 这类火药是由硝化二乙二醇、硝基胍和硝化棉三种成分组 成,故又简称三基药。它的主要优点是燃烧温度较低,可显著 减小对炮膛的烧蚀。因此又有“冷火药”之称。 以上三种类型火药都是固态胶体,都是溶塑火药。因成分 和厚度不同而有不同的透明度和色泽。硝化棉火药为灰黄色略 带绿色,硝化甘油火药为棕褐色。在强度方面,前者比较坚硬, 后者比较柔软而有弹性。外观上,前者表面较粗糙、无光泽, 后者则较光滑而略有光泽。至于步兵武器用的小粒火药,为了 避免相互摩擦产生静电,且为了增加装填密度,表面粘附石墨 粉,故其外观光滑且有黑色光泽。 所有的火药成品都具有一定的形状和尺寸。这是因为火药 燃烧时的气体生成率与火药的燃烧面有关,而燃烧面的大小和 变化又取决于火药的形状和厚度。因此通过火药形状和尺寸的 选择,就可以控制膛内的压力变化规律,以保证弹丸达到所需 要的炮口速度。 38 ? 火药形状多种多样,常见的有管状、带状、方片状、 杆状、球状和圆环状等简单形状,以及圆柱状和花边 形的复杂形状。 ? 对于单孔状火药柱来讲,燃烧时外表面不断地向里缩 小,但由于它的内表面也以相同的速度由里向外扩大, 属于恒面燃烧发射药,多用于身管比较长、射弹初速 比较高的武器上,如大口径火箭炮和野战火炮及步枪、 机枪等。 ? 多孔药属于增面燃烧,多用于中小口径的步兵武器, 短管状药或球形药则仅用于小口径步兵武器,滑膛无 后坐炮和迫击炮多采用带状药、方状和圆环状药。 39 2 e1 表示火药的厚度,对管状药和多孔药,常称为弧厚; 2b表示火药的宽度;2c表示火药的长度;D和d。分别表示管状 和多孔粒状药的外径和内径。 40 火 药 牌 号 标 志 法 举 例 41 火药燃烧的特性 (1) 能量特征。指lkg火药燃烧时气体产物所做的功。 (2) 燃烧特性。标志火药能量释放的能力,主要取决于 火药的燃烧速率和燃烧表面积。 (3) 力学特性。火药要具有相应的强度,满足在高温下 保持不变形、低温下不变脆,能承受在使用和勤务处 理时可能出现的各种力的作用,以保证稳定燃烧。 (4) 安定性。指火药必须在长期贮存中保持其物理化学 性质的相对稳定。 (5) 安全性。火药在特定的条件下能发生爆轰的危险性 考虑。 42 火药物化标识量 用于表示火药的物理化学特性的一些特征量。 这些特征量的大小,可反映出火药的性质,直接影 响射击现象。可分为: 火药成分标识量 火药能量标识量 火药弹道标识量 43 火药成分标识量: 含氮量 含氮量(N%)越高的火药,爆温越高,燃烧速度越大。一般硝化棉火药 中含氮量约为1.8~13%之间。 挥发物含量 挥发物含量(H%)越高时,燃烧速度下降,爆温将降低。依据药粒厚度 不同,挥发含量也不同。对薄火药,一般H约为2~2.5%;而对厚火药,H 可达 7%。 硝化甘油含量 油含量约为30~40%。 在双基药中,硝化甘油含量增加时,爆温也增加。一般双基药中硝化甘 火药密度 火药密度与组成成份和内部结构有关,硝化棉火药的密度为1.56~ 1.62kg/dm3; 硝化甘油火药的密度约为1.55~1.65 kg/dm3。 44 火药能量标识量: 爆热 火药气体的比容 爆温 火药气体常数R 火药气体比热比 45 火药能量标识量: 爆热 火药爆热 Qv是指1kg火药在定容下燃烧后将气体冷却到 18? C时所放的热量,其单位为kcal/kg,此时水规定为汽态。 火药气体的比容 火药气体的比容V1 是指 1kg火药燃烧后分解的气体在标准 状况下(PN= 1大气压, tN=0? C)所占的体积,单位为 dm3/kg, 其中水的体积规定为汽态时的体积。 爆温 火药的爆温T1是指1kg火药爆发时所生成的气体在存在的瞬 间所具有的温度,以绝对温度K表示。直接测量爆温是较困 难的,一般用计算方法得到。 46 火药能量标识量: 火药气体常数R 由热力学可知,R是1kg火药气体在大气压 PN= 1.033kg/cm2 下气体被加热使温度升高1? K时膨胀所做的功。 火药气体比热比 C p / Cv ? k 火药气体比热比k为火药气体定压比热和定容比热的比值。 若近似地将爆热Qv当作火药气体的潜能,则 RT1 k ?1? Qv 在建立内弹道学方程时,由于膛内温度变化不大,所以比 热比变化也不大,一般取平均比热比 k=1.2。 47 火药弹道标识量: 当火药在定容下燃烧时,将产生火药气体和气体压 力。所有影响火药气体压力大小或压力变化规律的一些 特征量如火药性质、药粒形状尺寸等方面的特征值称为 火药弹道标识量。 T 有关火药性质方面的弹道标识量有:火药力 f 、余 1 容 α 、燃速系数u; 药粒形状尺寸等方面的弹道标识量有:药形系数 χ、 λ 。 火药力----1kg火药燃烧后的气体产物在一个大气压下,温度升 高 T 1度时膨胀所做的功。(RT1) 48 余容 ----为气体分子体积修正量。在内弹道学中,称为余容。

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