内弹道设计

• ３.火药燃烧相对结束位置 • 火药相对燃烧结束位置定义为 • ηｋ＝ｌｋ/ｌｇ（１１－５） • 式中，ｌｋ为火药燃烧结束位置。由于火药点火的不均匀性以及药粒
厚度的不一致性，不可能所有药粒在同一位置ｌｋ燃完。
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１１.２ 设计方案的评价标准
• 事实上，ｌｋ仅是一个理论值，各药粒的燃烧结束位置分散在这个理 论值附近的一定区域内。因此，当理论计算出的火药燃烧结束位置ｌ ｋ接近炮口时，必然会有一些火药没有燃完即从炮口飞出。在这种情 况下，不仅火药的能量不能得到充分的利用，而且每次射击时未燃完 火药的情况不可能一致，因此会造成初速的较大分散，同时增加了炮 口烟焰的生成。因此，在选择方案时，一般火炮的ηｋ应小于０.７０ 。加农炮的ηｋ为０.５０～０.７０。榴弹炮是分级装药，考虑到小号 装药也应能在膛内燃完，其全装药的ηｋ选取０.２５～０.３０比较合 适。表１１－１列出了各种典型火炮的ηｋ值。
• ④由于最大压力增加，在射击过程中药筒或弹壳的变形量也就增大， 这可能造成抽筒困难。
• ⑤由于最大压力增加，作用在膛线导转侧上的力也相应增加，因而膛 线的磨损增加，致使身管寿命降低。
• 综合上述分析可以看出，最大压力ｐｍ的变化所引起的其他因素的变 化是很复杂的，因此，在确定最大压力时，必须要从武器－弹药系统 设计的全局出发，对具体情况做具体分析。初速要求比较大的武器， 像高射武器、远射程加农炮以及采用穿甲弹的反坦克炮等，一般情况 下最大压力都比较高，通常在３００ＭＰａ以上；而机动性要求较好 的武器，如自动或半自动的步兵武器、步兵炮和山炮以及配有爆破榴 弹或以爆破榴弹为主的火炮，一般情况下最大压力都比较低一些，通 常在３００ＭＰａ以下。
• １.火药能量利用效率的评价标准 • 火炮是将火药燃烧后所释放出来的热能转变为弹丸动能的一种特殊形
式的热机。显然，火药的能量能否充分利用，应当作为评价火炮性能 的一条很重要的标准。这一标准称为热力学效率或有效功率γｇ。
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１１.２ 设计方案的评价标准
• ２.炮膛工作容积利用效率的评价标准 • 炮膛工作容积利用效率ηｇ定义为
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１１.３ 内弹道设计的基本步骤
• １１.３.１ 起始参量的选择
• １.最大压力ｐｍ的选择 • 最大压力ｐｍ的选择是一个很重要的问题，它不仅影响到火炮的弹道
性能，还直接影响到火炮、弹药的设计。因此，最大压力ｐｍ的确定 ，必须从战术技术要求出发，一方面要考虑到对弹道性能的影响，同 时也要考虑到火炮结构强度、弹丸结构强度、引信的作用及炸药应力 等因素。由此看出，ｐｍ的选择适当与否将影响武器设计的全局，因 此，需要深入地分析由最大压力的变化而引起的各种矛盾。 • 在其他条件不变的情况下，提高最大压力可以缩短身管长度、增加 ηω及减小ηｋ。
• ②增加最大压力，必然也增加了作用在弹体上的力，为了保证弹体强 度，弹丸的壁厚也要相应地增加。若弹丸质量一定，则弹体内所装填 的炸药量减少，从而使弹丸的威力降低。
• ③增加最大压力，使作用在炸药上的惯性力也相应增加，若惯性力超 过炸药的许用应力，就有可能引起膛炸。
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１１.３ 内弹道设计的基本步骤
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１１.３ 内弹道设计的基本步骤
• 这就表明火药燃烧更加充分，既提高了能量利用效率，也有利于稳定 初速和提高射击精度，这些都有利于弹道性能的改善，所以，从内弹 道设计角度来看，提高最大压力是有利的。但是，ｐｍ的提高将对火 炮及弹药的设计带来不利的影响。
• ①增加最大压力，则身管的壁厚要相应地增加，炮尾或自动机的承载 将恶化。
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１１.１ 引言
• 需要注意的是，在进行内弹道设计时，可以有很多个设计方案满足给 定条件，这就必须在设计计算过程中对各方案进行分析和比较，从中 选出最合理的方案。
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１１.２ 设计方案的评价标准
• 内弹道设计是一个多解问题，因此，它必然包含一个方案的选择和优 化过程。方案选择的任务是不仅使所选方案满足战术上的要求，还使 弹道性能是优越的。在选择方案时，可以直接地比较各种不同方案的 构造诸元及装填条件，但由于这些量之间有着密切的制约关系，其反 映往往是不全面和不深刻的。因此，有必要选取一些能综合反映弹道 性能的特征量作为对不同方案弹道性能的评价标准。
• 在完成外弹道的设计之后，即进入内弹道设计阶段。内弹道设计就是 将外弹道设计所确定的口径ｄ、弹丸质量ｍ、初速ｖ０作为起始条件 ，利用内弹道理论，通过选择适当的最大压力ｐｍ、药室扩大系数χＷ ０以及火药品种，来计算满足上述条件的最佳装填条件（如装药量、 火药厚度等）和膛内构造诸元（如药室容积Ｗ０、弹丸全行程长ｌｇ 、药室长度ｌＷ０及炮膛全长Ｌｎｔ等）。
义，如果在相同的药室容积下，χＷ０值越大，则药室长度就越小。药 室长度缩短就使整个炮身长缩短。但χＷ０增大后也将带来不利的方面 ，其使炮尾及自动机的横向结构尺寸加大，可能造成武器质量的增加 。另外，由于χＷ０的增大，药室和炮膛的横断面积差也增大，根据气 体动力学原理，坡膛处的气流速度也要相应地增加，这将加剧对膛线 起始部的冲击，使火炮寿命降低。药室和炮膛的横断面积相差越大， 药筒收口的加工也越困难。χＷ０值越小，药室就越长，这又对发射过 程中的抽筒不利；同时，长药室往往容易产生压力波的现象，引起局 部压力的急升。因此，χＷ０值也应根据具体情况，综合各方面的因素 来确定。
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１１.３ 内弹道设计的基本步骤
• 因为爆破榴弹是以炸药和弹片杀伤敌人，如果膛压过高，对增加炸药 量是不利的，所以，目前的榴弹炮的最大压力一般都低于２５０ＭＰ ａ。
• 为了在不改变火炮阵地的情况下，能在较大的纵深内杀伤敌人的有生 力量，榴弹炮的装药结构都采用分级装药，因此，最小号装药的最大 压力不能低于解脱引信保险所需要的压力，通常要大于６０～７０Ｍ Ｐａ，所以，榴弹炮的最大压力的选择更为复杂。表１１－２列出了 目前各类典型武器所选用的最大压力。
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１１.３ 内弹道设计的基本步骤
• 燃温低、能量较低的火药有单基药和含降温剂的双基药，其燃温为２ ６００～２８００Ｋ，火药力为９４１～１０２９ｋＪ／ｋｇ。三基 药和高氮单基药是中能量级的火药，火药力为１０２９～１１２７ｋ Ｊ／ｋｇ，燃温２８００～３２００Ｋ。
• ③火药的力学性质是初选火药的重要依据。高膛压武器应尽量选用强 度高的火药。力学性质中重点考虑火药的冲击韧性和火药的抗压强度 。在现有的火药中，单基药的强度明显高于三基药的。在高温高膛压 和低温条件下，三基药的外加载荷有可能使其脆化和发生碎裂。
• 双基药、混合酯火药的高温冲击韧性和抗压强度比单基药的高，但双 基药和混合硝酸酯火药在常、低温度段有一个强度转变点，低于该转 变点，火药的冲击韧性急剧下降，并明显低于单基药的冲击韧性。
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１１.３ 内弹道设计的基本步骤
• 对于一般的火炮条件，现有的双基药、单基药、三基药和混合硝酸酯 火药的力学性能都能满足要求；但对高膛压武器、超低温条件下使用 的武器，必须将力学性质作为选择火药的重要依据。
• １１.３.２ 内弹道方案的计算步骤
• 在给定的起始条件下，根据每一组的Δ和ω／ｑ就可以计算出一个内 弹道方案，而Δ和ω／ｑ的确定又与武器的具体要求有关。
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１１.３ 内弹道设计的基本步骤
• ①装填密度Δ的选择。 • 在弹道设计中，装填密度Δ是一个很重要的装填参量。装填密度的变
化直接影响到炮膛构造诸元的变化。如果在给定初速ｖｇ和最大膛压 ｐｍ的条件下，保持相对装药量ω／ｍ不变，则随着Δ的增加，药室 容积Ｗ０单调递减，而装填参量Ｂ及相对燃烧结束位置ηｋ却单调递 增。至于弹丸行程全长ｌｇ的变化规律，在开始阶段，ｌｇ随着Δ的增 加而减小，当Δ＝Δｍ时，ｌｇ达到最小值，然后又随着Δ的增加而增 大。而充满系数ηｇ的变化规律恰好相反，在开始阶段，ηｇ随着Δ的 增加而增大，当Δ＝Δｍ时，ηｇ达到最大值，然后随着Δ的增加而减 小，如图１１－２所示。
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１１.２ 设计方案的评价标准
• ５.身管寿命 • 火药燃气存在烧蚀作用，最终会使火炮性能逐渐衰退到火炮不能继续
使用的程度。通常以武器在丧失一定的战术与弹道性能以前所能射击 的发数来表示武器寿命。一般情况下，武器弹道性能衰退到下述情况 之一，即认为是寿命的终止： • ①地面火炮距离散布面积或直射火炮立靶散布面积超过射表规定值的 ８倍； • ②弹丸初速降低１０％，对高射炮和舰炮来说，弹丸初速降低５％～ ６％； • ③射击时切断弹带； • ④以最小号装药射击时，引信不能解除保险的射弹数超过了３０％。
• ④满足膛压和速度的温度系数要求。低能量火药的温度系数较低，在 环境温度变化时，利用这种火药的火炮的初速和膛压变化不大。而高 能火药的温度系数一般都很高，因此，要求低温、初速降小和要求高 温、膛压不能高的火炮，都要重点考虑火药的温度系数。在装药结构 优化的情况下，低能火药有可能好于高能火药的弹道效果。
第１１章 内弹道设计
• １１.１ 引言 • １１.２ 设计方案的评价标准 • １１.３ 内弹道设计的基本步骤 • １１.４ 加农炮内弹道设计的特点 • １１.５ 榴弹炮内弹道设计的特点
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１１.１ 引言
• 根据火炮构造诸元和装填条件，利用内弹道基本方程组来分析膛内火 药气体压力变化规律和弹丸的运动规律的方法，称为内弹道解法，它 是内弹道学的正面问题；而在已知要求的内弹道性能和火炮的设计指 标的前提下，利用内弹道基本方程组来确定火炮的构造诸元和弹药的 装填条件，称为内弹道设计或弹道设计，它是内弹道学的反面问题。
• 表１１－２中所列出的各类火炮的ｐｍ数据可以作为在弹道设计中确 定最大压力时的参考。但是，随着炮用材料的力学性能的提高和加工 工艺的改进、对火炮的弹道性能要求的提高（如提高弹丸的初速）， 最大压力ｐｍ也有提高的趋势。
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１１.３ 内弹道设计的基本步骤
• ２.药室扩大系数χＷ０的确定 • 在设计内弹道时，药室扩大系数χＷ０也是事先确定的。根据χＷ０的意
• 由式（１１－４）还可看出，炮膛工作容积利用效率还表示了ｐ－ｌ 曲线下的面积充满ｐｍｌｇ矩形面积的程度，如图１１－１所示。
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１１.２ 设计方案的评价标准
• 在相同ｐｍ下，炮膛工作容积利用效率的高低反映了压力曲线的平缓 或陡直情况。在满足ｐｍ及ｖ０的前提下，炮膛工作容积利用效率越 高，则弹丸全行程ｌｇ较短，它意味着火炮炮身质量小、机动性好。 因此，从炮膛利用效率来看，炮膛工作容积利用效率应越高越好。η ｇ的大小与武器性能有关，一般火炮的ηｇ为０.４～０.６６，加农炮 的ηｇ较大，榴弹炮的ηｇ较小。几种典型火炮的ηｇ见表１１－１。
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１１.２ 设计方案的评价标准
• ４.炮口压力 • 弹丸离开炮口的瞬间，膛内火药气体仍具有较高压力（４.９×１０
４～９.８×ｌ０４ｋＰａ）和较高温度（１２００～１５００Ｋ） 。它们高速流出炮口，与炮口附近的空气发生强烈的相互作用而形成 膛口主流场，在周围空气中会形成强度很高的冲击波和声响。炮口压 力越高，冲击波强度也越大，强度大的冲击波危及炮手安全，也促使 炮口焰的生成。因此，对于不同的火炮，炮口压力要有一定的限制。 在选择方案时，必须对此予以考虑。若干种典型火炮的炮口压力ｐｇ 也已列于表１１－１中。
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１１.３ 内弹道设计的基本步骤
• ３.火药的选择 • 选择火药时要注意以下几点： • ①一般要选择制式火药，选择生产的或成熟的火药品种。目前可供选
用的火药仍然是单基药、双基药、三基药，以及由它们派生出来的火 药，如混合硝酸酯火药、硝胺火药等。因为火药研制的周期较长，除 特殊情况外，新火药设计一般不与武器系统的设计同步进行。 • ②以火炮寿命和炮口动能为依据选取燃温和能量与之相应的火药。寿 命要求长的大口径榴弹炮、加农炮，一般不选用热值高的火药；相反 ，迫击炮、滑膛炮、低膛压火炮，一般不用燃速低和能量低的火药。 高膛压、高初速的火炮，尽量选择能量高的火药。高能火药包括双基 药、混合硝酸酯火药，其火药力为１１２７～１１７６ｋＪ／ｋｇ。