火炮的物理原理

火炮的物理原理一、简介火炮是口径在20毫米以上，用火药的爆发力发射弹丸的重火器的通称。

火炮用于歼灭敌有生力量和压制敌方火器，破坏敌防御工事，完成陆地、海洋和空中的其它打击任务。

13至14世纪时，中国的火药和火器制造技术传入信仰伊斯兰教的国家和欧洲，欧洲的火炮开始发展。

19世纪开始，随工业和科学技术的发展，火炮迅速发展起来，出现了发射长形弹的线膛炮，并安装有弹性炮架。

火炮发展至今，已经是儿孙满堂，不仅家族支系众多，而且家族成员的外貌也差别甚大，出现了有善于对付各种目标的专门火炮：按安装发射的平台不同可分为地面炮、舰炮和航炮；按运动方式可分为固定火炮、机械牵引炮和自行火炮；按作战用途又可分为地面压制火炮、海岸炮、高射炮、坦克炮、特种炮等；按口径大小可分为：大口径炮（高炮在100毫米、地炮在152毫米、舰炮130毫米以上）；中口径炮（高炮在61～100毫米、地炮在76～152毫米、舰炮在76～130毫米左右）；小口径炮（高炮在20～60毫米、地炮在20～75毫米、舰炮在20～57毫米之间）。

按炮膛结构可分为线膛炮和滑膛炮；按弹道特性可分为加农炮（弹道低伸）、榴弹炮（弹道较弯曲）和迫击炮（弹道最弯曲）按装填方式可分为前装式火炮和后装式火炮。

二、基本构造现代火炮的基本组成部分有：炮身、炮尾、炮闩和炮架等。

其作用原理是将发射药在膛内燃烧的能量转换为弹丸的炮口动能以抛射弹丸，同时产生声、光、热等效应。

火炮的主要战术技术性能是初速、射程、精度、射速和机动性等。

火炮的主要任务是用于对地面、空中和水上目标射击，毁伤和压制敌有生力量及技术兵器，以及完成其它任务。

火炮的结构身管火炮的外观及其组成部件视炮种及其用途而异。

尽管有这些差别，然而身管火炮都是按照几乎相同的方法制造的。

身管火炮有两个或两组主要部件，就是炮身部分和炮架部分。

炮架部分用于支承炮身和保持火炮射击时的稳定性。

炮架部分包括瞄准装置，在某些情况下它还可作为运送炮身部分的手段。

炮身部分为发射药燃烧产生的压力提供容器；它使发射药燃烧产生的能量安全地按预定方式传送到弹丸上；它还具有赋予弹丸方向和稳定性的手段炮身的主要部件构成炮身部分的主要部件是身管及其附件，炮闩装置和击发装置。

身管实质上是一根发射时供弹丸通过的钢管。

身管内表面称作炮膛，通常刻有凹线或凸线，称为膛线。

也有没有膛线的滑膛身管，但它们主要用在现代坦克炮上，特别是用在发射尾翼稳定弹丸的火炮上。

炮膛的膛线是按螺旋形刻制的，有等齐和渐速两种缠度。

带等齐缠度膛线的炮膛，其特征是阴线相对于炮身轴线的斜度是个常数。

炮身轴线是沿炮膛中心贯穿炮膛全长的一条假想线。

渐速膛线是指阴线与炮身轴线间的斜度是不断变化的，越向炮口斜度越大。

渐速膛线，在身管内的火药气体压力达到最高点时，可用于减少弹带作用到阳线上的压力，从而保证弹丸在离开炮口前能获得足够的转数。

使用渐速膛线在理论上的好处是，比较短的身管不会降低弹丸飞行中的稳定性。

凸起的膛线称为“阳线”。

不包括阳线深度的炮膛直径就是用于衡量身管、也就是武器的口径的尺度。

膛线的用途是在弹丸穿越炮膛时使弹丸旋转。

弹丸上配有用比膛线软一些的材料制成弹带。

当弹丸向前运动时，膛线嵌入弹带，膛线在弹带上刻出的凹槽的形状与阳线断面相应。

弹带上被刻出的凹槽被迫沿膛线扭转的路线运动，从而使弹丸旋转。

在决定膛线深度时必须解决两个彼此矛盾的要求。

一方面，深阴线更有利于为弹丸穿过炮膛时导向并能减少膛线的磨损。

但是另一方面，浅阴线更容易使弹带嵌入膛线，而且由于弹丸飞出炮口时留在弹带上的刻槽较浅，因而可减小弹丸在飞行中的空气阻力。

火炮身管所要具备的主要特性是寿命长、强度大、刚度强、重量适度和重心合适。

身管的使用寿命应尽可能长，这就是说身管在由于磨损而不能以所要求的初速正常地发射能稳定飞行的弹丸前，应能发射大量炮弹。

身管强度必须能承受射击应力而不致在作战情况下出现故障。

这种强度要求可通过许多方法来实现，如在钢中添加合金元素、给身管施加预应力或依靠身管本身的设计来实现。

一般是综合采用这三种方法。

身管的重量主要取决于对其强度的要求，但是也考虑刚度和整门火炮射击时的稳定性身管必须具有足够的刚度，或通常所说的“梁强度”，以使其在自重作用下不致弯曲。

这一特性对长身管火炮来说尤其重要。

在身管使用的钢材品位确定以后，身管的梁强度要求通过选择合适的身管外形来满足，即，使身管的厚度从炮尾到炮口逐渐减薄。

二战时期坦克主炮主要是中小口径的身管线膛火炮，大多弹道较为低伸，属于加农炮。

（加农炮：身管长，弹道低伸的火炮。

区别于榴弹炮身管较短，弹道较弯曲的火炮。

）三、物理原理概要在枪炮的射击过程中，弹丸的运动要经历膛内阶段、射出膛口后继续受火药燃气作用的阶段和在空气阻力、地球引力与惯性力作用下的飞行阶段。

因而枪炮弹道学也相应地划分为：研究膛内火药燃烧、物质流动、弹丸运动和能量转换等有关现象及其规律的内弹道学；研究弹丸穿越膛口流场时受力和运动规律，以及伴随膛内火药燃气排空过程发生的各种现象的中间弹道学；研究弹丸在空中飞行运动的现象及其规律的外弹道学。

在近代弹道学的发展过程中，对弹丸在目标区域的运动规律、目标的作用机理及威力效应的研究已形成了专门的学术领域，称为终点弹道学。

四、物理原理解析1.内弹道内弹道学是研究发射过程中枪炮膛内及火箭发动机内的火药燃烧、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。

燃烧的发射药产生具有很高压力的气体，使弹丸加速穿过炮膛，直到以预定初速离开炮口。

初速是具有一定质量和形状的弹丸最终要达到的整个射程的基础。

在设计火炮时必须进行计算以保证最正常、最有效地产生所需要的初速。

发射装药产生的能量用于完成好几种工作。

大部分能量用于赋予弹丸速度。

能量还消耗在做下述功上：使弹丸旋转，克服弹丸与膛壁之间的摩擦力，使发射药和发射药气体在膛内运动以及使火炮后坐部分后坐。

有些能量还以热能的形式损失在身管、炮尾、弹丸和药筒（如果使用药筒的话）上。

发射过程都是从点火开始，通过机械击发、电热或其他方式将点火药点燃，所产生的高温气体及灼热粒子再点燃火药装药，迅即扩展到整个装药表面，并同时沿着药粒厚度向内层燃烧。

燃烧进行在一个封闭的空间中，这个空间前由弹丸的弹带封闭，后有火炮所采用的紧塞装置封闭，紧塞装置用于防止火药气体从后面逸出。

在发射药气体的压力达到能使弹丸运动的程度之前，发射药的燃烧速度与膛压增加的速度是成正比例的。

所谓“弹丸启动压力”就是指使弹丸开始向前运动的压力。

当弹丸沿身管向前运动时，供发射药气体占用的空间增大，因此膛压的增加速度减小。

当空间增加所导致的压力的增加相等时，膛压达到最大值。

自此以后膛压开始下降，同时弹丸却在继续加速，甚至在发射药全部燃尽后弹丸仍在继续加速，只是加速度逐渐减小，弹丸一出炮口即变为减速。

下图说明膛内压力、弹丸膛内行程和弹丸速度间的关系内弹道学的研究对象，主要是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，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或发动机之间的热传导现象等。

弹丸在膛内的运动大约要消耗掉发射药产生的能量的25-35%。

其余的能量都在弹丸离开炮口后排入大气。

通过增加身管长度以延长发射药气体作用于弹丸时间的方法，还有可能使弹丸初速增加。

只是用这种方法增加初速也有其缺点，因为在身管增长超过一定限度后所增加的初速与所带来的缺点相权衡，是得不偿失的。

从发射药燃尽点开始，弹丸速度的增加是越来越平缓的。

内弹道学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。

</P>利用所掌握的内弹道规律，改进现有的发射武器和设计出新型的发射武器，这是内弹道设计的研究内容。

它是以内弹道方程组为基础的，例如根据战术技术要求所给定的火炮口径，及外弹道设计所给出的初速、弹重等主要起始数据，解出合适的炮膛结构数据、装填条件，以及相应的压力和速度变化规律。

在内弹道设计方案确定之后，方案的数据就是进一步进行炮身、炮架、药筒、弹丸、引信及发动机等部件设计的基本依据。

因此，发射武器的性能在很大程度上决定于内弹道设计方案的优化程度。

能源是实现内弹道过程的主要物质基础，如何选择合适的能源，有效地控制能量释放规律，合理地应用释放的能量以达到预期的弹道效果，一直是内弹道学研究的一个主要问题。

火药是最常用的主要能源。

早在无烟药开始应用时对于成形药粒的燃烧，就采用了全面着火、平行层燃烧的假设，并以单一药粒的燃烧规律代表整个装药的燃烧规律，称为几何燃烧定律。

它是内弹道学的一个重要理论基础。

长期以来，应用这个定律指导改进火药的燃烧条件，控制压力变化规律，以达到提高初速和改善弹道性能的目的。

在火炮设计中发射药在膛内的燃尽位置很重要。

如果燃尽位置在膛内过于靠前，则很可能会增加耀眼的炮口焰，从而增加被敌人发现的可能性。

如果燃尽位置在炮口外，则炮闩在发射药全部燃尽前有被打开的危险。

在设计火炮及其装药系统时，必须非常注意这种可能性，特别是对发射后自动开闩的火炮。

使燃尽位置适当靠后还有其他一些理由，其中比较重要的是，这样做能减小各发弹之间的初速差异。

很明显，发射药在膛内的燃尽点还会影响应力对身管的作用位置和大小。

只要考虑到即使是一门105毫米野战炮要以每秒几百米的速度把弹丸推出炮口，其膛压也会大大超过20吨/平方英寸，这就很易理解应对身管应力问题给予极大重视的道理了。

有五种不同类型的应力作用在身管上。

它们是梁应力、径向应力、圆周应力、纵向应力和扭转应力。

梁应力是身管自身的重量和长度作用在身管上而引起的一种挠曲应力。

因此，身管必须具有足够大的刚度以防止自重引起的弯曲。

发射时，发射药气体在膛内向身管壁施加一个向外的径向应力。

发射药气体还产生一个圆周应力，圆周应力沿切向作用在炮膛圆周的任何一点上。

当弹丸在膛内运动时，它还产生另外两种应力：其一是纵向应力，其二是扭转应力。

纵向应力是由弹带在膛内的向前运动和弹带前后的压力差引起的。

纵向应力的作用是纵向拉长身管，但是这种应力的作用范围很小，只限于局部且随弹丸向前移动。

与弹丸的膛内运动有关的第二种应力是扭转应力。

扭转应力是由于弹丸在膛内运动时扭转而引起的。

扭转应力产生扭转作用，其方向与膛线缠度方向相反。

内弹道学的理论基础是在19世纪20～30年代才开始建立起来的。

最先进行研究的是意大利数学家拉格朗日，他在1793年对膛内气流现象做出气流速度沿轴向按线性分布的假设，从而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。