内弹道学概述及火药的基本知识

或同心层逐步燃烧。 • ②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。 • ③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。
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７.１ 内弹道学概述
• ④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ｆ、余容α、比热比ｋ等 ）在射击过程中被认为是常量。
• 火药之所以能在炮膛中在极短时间内完成大量的功，其原因即在于它 在燃烧时能放出大量的气体和热量，所放出的热量又以增高气体温度 的形式反映出来。温度越高，气体的做功能力也越大。因此，热量、 生成气体量，以及气体温度就是体现火药做功能力大小的三个能量特 征量。
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图 7–1
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图 7–2
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• 这时的燃气压力称为炮口压力ｐｇ，弹丸速度称为炮口速度ｖｇ。典 型的内弹道曲线如图７－４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流出（如图７ －５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。
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７.１ 内弹道学概述
• 火药通常分为混合火药和溶塑火药两大类。
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７.２ 火药的基本知识
• ７.２.２ 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，因此必须引进一些物理量来描述火药的性 质。这些描述火药性质的物理量，称为火药的特征量，其中描述能量 的就称为能量特征量。
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７.１ 内弹道学概述
• ２.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。 • ３.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。
• ③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。
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７.１ 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、火药相对燃烧结束位置、炮口压力和身管 寿命等。
图 7–3
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图 7–4
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图 7–5
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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。
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７.１ 内弹道学概述
• ②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、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 。
• ④有关膛内压力波产生机理、影响因素及抑制技术； • ⑤有关弹带挤进膛线的受力变形现象，弹丸以及炮身的运动规律； • ⑥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。
• ７.１.３ 内弹道学的研究方法
• 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 的意义。图７－１显示了不同尺寸和类型的底火和传火管。
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７.２ 火药的基本知识
• ７.２.１ 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。
• 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。
• ７.１.２ 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 。
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７.１ 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。
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７.１ 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７－３所示。
• 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。
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７.１ 内弹道学概述
• ④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。
• 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。
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７.１ 内弹道学概述
• １.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（１Ｄ）模型、二维（２Ｄ）模型和三维（ ３Ｄ）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（ｐ、Ｗ、Ｔ和ρ）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。
• ⑤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。 • ⑥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φ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。 • ⑦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。
第７章 内弹道学概述及火药的基本知识
• ７.１ 内弹道学概述 • ７.２ 火药的基本知识
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７.１ 内弹道学概述
• ７.１.１ 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。
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７.１ 内弹道学概述
• 试验研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。
• ７.１.４ 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： • ①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
• 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间增加的 速率，是决定这种变化的两个主要因素。
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７.１ 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ｐｍ。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。
• 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：
• ①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 ；
• ②有关火药燃烧及燃气生成的规律； • ③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；
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７.１ 内弹道学概述
• 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。
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７.１ 内弹道学概述
• 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。
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７.１ 内弹道学概述
• 一维模型假定参数ｐ、Ｗ、Ｔ和ρ只随时间ｔ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３ 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： • ①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
• 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２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７－２所示），此时相应的燃气压力称为挤进压 力。这个过程也称为挤进过程。