内弹道学概述及火药的基本知识课件

1、第章内弹道学概述及火药的基本知识.内弹道学概述.火药的基本知识返回.内弹道学概述.火炮发射的内弹道过程火药（发射药）为发射弹丸提供了能源。在适当的外界能量作用下，火药自身能在密闭条件下进行迅速而有规律的燃烧，同时生成大量高温燃气。在内弹道过程中，身管中的固体火药通过燃烧将蕴含在火药中的化学能转化为热能，弹后空间中的热气急剧膨胀，从而驱动弹丸在身管内声速前进。为了发射弹丸，首先要点燃发射药。击发是整个弹道过程的开始，通常利用机械方式（或用电、光）作用于底火（或火帽），使底火药着火。现代大口径或者大威力火炮中普遍采用中心传火管，这对于提高药床的点火一致性、减小压力波、提高发射的安全性，具有非常重要

2、的意义。图显示了不同尺寸和类型的底火和传火管。下一页返回.内弹道学概述传统底火被击发后，底火产生的火焰穿过底火盖而引燃火药床中的点火药，使点火药燃烧产生高温、高压的燃气和灼热的固体微粒，通过对流换热的方式，首先将靠近点火源的发射药点燃；然后，点火药和发射药的混合燃气逐层地点燃整个火药床。这就是内弹道过程开始阶段的点火和传火过程。在完成点火、传火过程之后，火药的燃烧产生许多高温、高压燃气，推动弹丸运动。弹火炮弹道学（第版）丸开始启动瞬间的压力称为启动压力。弹丸启动后，因弹带的直径略大于膛内阴线的直径，弹带必须逐渐挤进膛线。当弹带全部挤进时，弹带已被膛线刻成沟槽并与膛线紧密吻合（如图所示），此时相

3、应的燃气压力称为挤进压力。这个过程也称为挤进过程。上一页下一页返回.内弹道学概述弹带全部挤入膛线后，弹后空间的火药固体仍在继续燃烧而不断补充高温燃气，高温、高压气体通过急速膨胀而做功，使火炮以及身管膛内产生了多种形式的复杂运动，包括弹丸的直线运动和旋转运动（对于线膛身管），弹带与膛线之间的摩擦，正在燃烧的药粒和燃气的运动，火炮后坐部分的后坐运动，火药气体与身管、身管与外界的热交换，身管的弹性振动等。所有这些运动既同时发生又相互影响，形成了复杂的射击现象。不同阶段的内弹道过程如图所示。膛内不同现象的相互制约和相互作用形成了膛内燃气压力变化的特性。其中，火药燃气生成速率和由于弹丸运动而形成的弹后空

4、间增加的速率，是决定这种变化的两个主要因素。上一页下一页返回.内弹道学概述前者的增加使压力上升，后者的增加使压力下降，而压力的变化又反过来影响火药的燃烧和弹丸的运动。在开始阶段，燃气生成速率的影响超过弹后空间增长的影响，压力曲线将不断上升。当这两种相反效应达到平衡时，膛内达到最大压力。而后随弹丸速度的不断增大，弹后空间增大的影响超过燃气生成速率的影响，膛内压力开始下降。当火药全部燃完时，膛压曲线随弹丸运动速度的增加而不断下降，直至弹丸射出炮口，至此就完成了整个内弹道过程。这时的燃气压力称为炮口压力，弹丸速度称为炮口速度。典型的内弹道曲线如图所示。当弹丸飞出炮口之后，在它后面的火药气体也随之一起

5、流出（如图所示），由于这时气体的速度大于弹丸的速度，所以对弹丸仍然起一定的推动作用，从而使弹丸的速度继续增加。上一页下一页返回.内弹道学概述但是，由于气体出炮口之后，要向四周迅速扩散，因而在炮口前的一定距离上，火药气体的速度很快衰减到小于弹丸运动的速度，对弹丸不再起加速作用，这时弹丸就达到射击过程中的最大速度。.内弹道学的研究内容及任务火炮发射时发生了复杂的物理、化学、传热以及机械现象，不同形式能量之间发生了非常迅速的转化：固体火药的化学能首先转化为火药燃气的热能，然后转化为“弹丸火药后坐部分”系统运动的动能。内弹道过程所经历的时间是非常短暂的，只有几毫秒到十几毫秒。上一页下一页返回.内弹道学

6、概述因此，从一般力学的范围来看，膛内的各种相互作用和输运现象具有瞬态特征，它属于瞬态力学范畴；从热力学范围来看，膛内射击过程是一个非平衡态不可逆过程；从流体力学的观点来看，膛内射击现象又属于一个带化学反应的非定常的多相流体力学问题。根据内弹道过程中所发生的各种现象的物理实质，可将内弹道学所要研究的内容归纳为以下几个方面的问题：有关点火药和火药的热化学性质、燃烧机理以及点火、传火的规律；有关火药燃烧及燃气生成的规律；有关枪炮膛内火药燃气和火药颗粒的多维、多相流动及其相间输运现象；上一页下一页返回.内弹道学概述有关膛内压力波产生机理、影响因素及抑制技术；有关弹带挤进膛线的受力变形现象，弹丸以及炮身

7、的运动规律；有关膛内能量转换及传递的热力学现象和燃气与膛壁之间的热传导现象；在这些现象研究的基础上，建立起反映内弹道过程中物理化学实质的内弹道数学模型和相应方程。.内弹道学的研究方法内弹道学和其他自然科学一样，主要是通过理论分析、试验研究和数值模拟等手段，来掌握射击过程的物理化学本质，找出其内在的规律，达到认识和控制射击现象的目的。上一页下一页返回.内弹道学概述.理论分析通过对射击过程中各种现象的分析，认识其物理实质和相互之间的关系；抓住影响射击过程的主要因素，例如不同能量之间的相互转化和能量守恒，忽略或暂不考虑某些次要因素，给出反映射击过程的物理模型；再根据流体力学、热力学、传热学、化学及数

8、学等基础学科构造出数学模型，也就是建立起描述膛内射击过程的内弹道基本方程。对于内弹道学问题，可以运用不同层次的气体动力学模型来进行求解，这包括零维模型、一维（）模型、二维（）模型和三维（）模型。零维气体动力学模型假定某一瞬间的整个弹后空间的气流状态参数（、和）可以用其平均值来表示，这是经典内弹道理论解决问题所采用的典型方法。上一页下一页返回.内弹道学概述一维模型假定参数、和只随时间变化，二维模型假定这些参数随两个坐标的变化而变化，三维模型假定这些参数随空间的个坐标变化。经典内弹道数学模型是建立在以下几个基本假设的基础之上的：火药燃烧服从几何燃烧定律，即整个发射药同时点火，并按平行层或同心层逐步

9、燃烧。火药的燃烧是在弹后空间中的瞬态平均压力下进行的，燃烧速度与压力成正比式或指数式。弹后空间火药和火药气体的质量是均匀分布的，从而可以推得，弹后空间速度呈线性分布，弹后压力呈抛物线分布。上一页下一页返回.内弹道学概述火药气体服从仅有余容修正项的范德瓦尔斯状态方程，即诺贝尔状态方程，而火药气体的热力学量（如火药力、余容、比热比等）在射击过程中被认为是常量。弹丸挤进所消耗的功不单独考虑，挤进过程被认为是瞬时完成的。火药及火药气体运动、火炮后坐、弹丸旋转和摩擦阻力等因素的影响不做细致的个别计算，而由一个总的虚拟质量系数来描述。习惯上把这些因素当作次要的。这些次要因素对能量方程和弹丸运动方程折算的虚

10、拟系数是不一样的，且一般说是个变量，但假定它们相等且为常量。管壁的热散失不直接计算，一般通过一个热量损失系数来考虑。上一页下一页返回.内弹道学概述.数值模拟在建立了内弹道基本方程的基础上，可以根据射击过程的初始条件和内膛结构的边界条件进行数值模拟。在经典内弹道学范畴内，主要是求解常微分方程的初值问题。.试验研究它是内弹道学的一个重要组成部分，也是检验内弹道理论和数值模拟的根本依据。膛内过程由于具有高温、高压、声速和瞬态的特点，给内弹道试验研究带来一定的困难。然而，近代光学和电子技术的高度发展也极大地促进了弹道试验技术的发展，测压和测速技术已达到比较高的水平。上一页下一页返回.内弹道学概述试验研

11、究包括火药的点火和燃烧，火药颗粒运动、挤压和破碎，相间传热和阻力，弹带挤进过程等基础研究，以及膛内燃气压力、弹丸运动规律和燃气温度变化的内弹道性能综合试验研究。.内弹道学在武器设计中的应用内弹道学在枪炮武器设计中的作用，主要表现在以下几个方面：内弹道学是枪炮设计的理论基础。内弹道学的研究主要服务于现有武器弹道性能的改进和新武器弹道设计方案的提出，因此，内弹道学的理论和实践就是为武器设计及武器弹道性能分析提供理论基础，事实上，整个武器弹药系统的设计往往是以内弹道计算和内弹道设计为先导的。上一页下一页返回.内弹道学概述在武器弹药系统设计中起协调作用。火炮武器弹药系统的设计包括火炮、弹丸、引信、药筒

12、、底火及发射装药等设计。在具体的实践当中，它们之间往往会发生各种矛盾。例如，在内弹道设计中，最大压力的确定不仅影响到火炮的内弹道性能，而且直接影响到火炮、弹丸、引信和装药等设计的问题。最大压力选择得是否适当将影响到武器弹药系统设计的全局。因此，可通过内弹道的优化设计将武器弹药系统之间的矛盾协调起来，在总体上实现武器弹药系统良好的弹道性能。火炮武器弹道性能的评价作用。武器弹道性能的优劣必须通过某些弹道参量来衡量，进而评价武器弹道性能是否满足火炮武器系统总体性能的要求。上一页下一页返回.内弹道学概述内弹道性能评价标准包括：火药能量利用效率的评价标准、炮膛工作容积利用效率的评价标准、火药相对燃烧结束

13、位置、炮口压力和身管寿命等。射击安全性是武器弹药系统设计中一个十分重要的问题。以高膛压、高初速和高装填密度为特征的高性能火炮，在射击过程中容易产生大振幅的危险压力波，由此可能引起灾难性的膛炸事故。因此，利用内弹道的相关理论给出射击安全性评价标准是非常必要的。上一页下一页返回.内弹道学概述在火炮新发射原理研究中起指导作用。内弹道学是研究火炮发射原理的科学，在内弹道理论的发展过程中，可以派生出一些发射技术的新概念，并形成新的发射原理，如超高初速的轻气炮发射技术、随行装药技术、钝化和包覆装药技术，以及液体发射药火炮、电热化学炮等新概念和新能源技术的应用，都离不开内弹道理论的指导。上一页返回.火药的基本知识.火药的化学成分、制造过程和性能特点传统的火炮或轻武器都以火药作为射击的能源，主要是因为它具有这样一些优点：首先，火药是一种固体物质，其生产、贮存、运输、使用比较方便；其次，在射击过程中，经过点火作用产生急速的化学变化，火药分解出大量的高温气体，这些气体在一定的条件下膨胀做功，从而使炮膛中的弹丸获得较大的速度；通过火药的成分、形状和尺寸的变化可以控制它的燃烧规律，从而控制射击现象，达到我们所要求的弹道性能。火药通常分为混合火药和溶塑火药两大类。下一页返回.火药的基本知识.火药的能量特征量上面已经说过，火药的种类许多，性质也各不相同，而火药的性质直接影响到武器的弹道性能，因此必须引