內彈道學

內彈道學（interior ballistics）研究發射過程中槍炮膛內及固體火箭發動機內的火藥燃燒、物質流動、能量轉換和槍炮彈丸的運動等規律以及其他有關現象的學科。是彈道學的一個分支。

基本介紹

• 中文名：內彈道學
• 外文名：interior ballistics
• 性質：彈道學的一個分支
• 研究對象：槍炮和火箭
• 時間：1793年

研究範疇與分類

槍炮和火箭大都以火藥為能源。其工作過程也都是從點火開始，通過機械擊發、電熱或其他方式將點火藥點燃，產生的高溫燃氣及灼熱粒子，再點燃發射裝藥。著火後的裝藥在點火過程迅速擴展到整個裝藥表面的同時，沿著藥粒厚度向內層燃燒，不斷生成高溫的燃氣。槍炮和火箭就是通過這種燃氣在有限容積中所形成的高壓，產生了相應不同的發射現象。前者是高壓燃氣直接膨脹做功，推動彈丸沿身管向前加速運動；同時，火藥燃氣本身以及部分藥粒也隨著向前運動。後者則是通過在噴管中的膨脹作用產生高速氣流，利用氣流的反作用力推動火箭運動。這兩種不同的發射方式標誌了兩種典型武器，而與其相應的內彈道學也就劃分為兩種不同的研究範疇，即身管武器內彈道學(或槍炮內彈道學)和火箭內彈道學。

槍炮膛內的射擊現象包含多種運動形式。除了在火藥燃氣壓力作用下的彈丸、燃氣及藥粒沿身管的運動，標誌著身管武器內彈道基本特徵之外，同時還有一些與武器結構有關的其他運動形式。例如，線膛武器的彈丸旋轉運動，密閉類型身管武器的身管後坐運動等。在半密閉類型身管武器中，無坐力炮雖不存在炮身的後坐運動，但有火藥燃氣從炮尾噴管流出的運動；而迫擊炮則有身管的後坐運動，同時還有燃氣從間隙流出的現象。因而，身管武器內彈道學又常劃分為各種類型武器的內彈道學，如一般槍炮(槍、加農炮、榴彈炮等)內彈道學、無坐力炮內彈道學、迫擊炮內彈道學等。在固體火箭發動機內，除了燃燒室存在複雜的燃氣流動外，還有燃燒產物在噴管中膨脹與高速流出的現象，以致發動機內的質量不斷減少。因此，按熱力學過程的性質來區分，一般槍炮屬於密閉的變質量變容系統，無坐力炮與迫擊炮屬於半密閉的變質量變容系統，而火箭則屬於半密閉的變質量定容系統。

對象和性質

內彈道學所研究的對象，歸納起來主要有以下4個方面：

①點火藥和火藥的物理化學性質，火藥點火與燃燒過程的機理及規律。

②槍炮膛內與固體火箭發動機內的火藥燃氣與固體藥粒之間的兩相流動現象。

③有關彈帶嵌進膛線的受力變形現象，以及彈丸和槍炮自身的運動現象等。

④有關能量轉換及輸運的熱力學和火藥燃氣與膛壁或發動機之間的熱傳導現象等。這些研究對象表明，內彈道學是一門涉及化學熱力學、傳熱學、燃燒理論、氣體動力學及固體力學等學科領域的綜合性套用學科。

目的和方法

內彈道學研究的根本目的，是揭示發射過程中的各種規律及其影響因素，為改進現有武器和發展新武器提供依據。其主要研究內容，是根據射擊武器的特點及其主要現象的物理實質，建立描述過程變化的質量方程、動量方程、能量方程以及狀態方程等，組成內彈道方程組。方程組的解即可直接體現出發射系統所發生的各種變化規律，解決內彈道計算和內彈道設計問題。前者是指從已知身管武器系統的有關數據，計算出相應的燃氣壓力及彈丸速度隨彈丸運動的行程及時間變化的規律，或從已知火箭武器系統的有關數據計算出發動機內的燃氣壓力及全彈速度隨時間變化的規律；後者則是根據戰術要求所給定的口徑、彈丸質量和初速等主要指標，確定出合理的武器系統設計方案。這兩種計算都可以直接通過對方程組所編制的電腦程式來完成。

內彈道方程組所解出的燃氣壓力p隨時間t的變化曲線，是內彈道過程特徵的標誌。因此，身管武器和火箭武器有各自不同的典型曲線。圖1的p梩曲線所標誌的身管武器熱力學過程特徵表明，其壓力變化規律決定於火藥燃氣生成速率和彈後空間增加速率，前者增加使壓力增長，而後者增加則使壓力下降。當兩種效應達到瞬時平衡時，即給出最大壓力pm。但是，p梩曲線雖然有升降的變化，而彈丸則因一直受壓力的作用不斷加速，從而給出如圖所示的v梩曲線。彈丸出膛口瞬間的速度vg稱為膛口速度，通常可視為初速，最大壓力和初速是身管武器的兩個主要彈道標誌量。圖2的p梩曲線同圖1有所不同，代替彈後空間變化的因素，是火藥燃氣經過噴管的流出速率，而且在相當一段時間內可以使壓力保持接近不變的相對平衡狀態，如圖中壓力變化平緩的pc，稱為平衡壓力，它是反映火箭彈道特徵和火箭發動機性能的主要標誌量。

壓力曲線不僅直接反映出一定裝藥條件下的壓力變化規律，而且也間接地反映了火藥燃燒規律和彈丸速度的變化規律。所以，它體現了內彈道的內在規律對武器的性能有很大影響。改變壓力變化曲線，主要依靠裝藥結構的設計。因此，為了保證武器的彈道性能，必須研究裝藥結構對壓力變化的影響，從而使得發射裝藥設計成為內彈道設計的一個主要組成部分。

根據身管武器的內彈道特點，整個壓力變化規律是否最佳化，主要是通過兩個彈道指標來評價，即發射藥能量利用效率和炮膛工作容積(彈丸行程與炮膛截面之積)利用係數。前者是指彈丸飛離膛口瞬間，火藥燃氣所完成的總功與火藥燃氣總能量的比值，通常稱為彈道效率。後者則是指彈丸飛離膛口瞬間，火藥燃氣所完成的總功與炮膛工作容積和最大膛壓的乘積之間的比值，它是衡量壓力曲線變化平緩程度的相對標準，故又稱為示壓效率。在身管武器中，彈道效率一般約為20%～30%，示壓效率則在0.5～0.75之間。發射裝藥設計的方法就是以這兩種效率為依據，通過發射藥的種類、性質、形狀和尺寸，以及裝藥結構等的選擇來調整壓力曲線，以期達到各項指標要求。

發展沿革

早在1793年，法國力學家、數學家J.－L.拉格朗日對膛內氣流現象提出了氣流速度按線性分布的假設，即開始了基礎理論的研究。1864年法國科學家H.雷薩耳套用熱力學第一定律建立了內彈道能量方程；1868～1875年英國物理學家A.諾布爾和化學家F.艾貝爾根據密閉爆發器的試驗確定出火藥燃氣的狀態方程；19世紀末，法國科學家P.維埃耶總結了前人研究黑火藥燃燒的經驗，並根據無煙火藥的平行層燃燒現象，提出了幾何燃燒定律的假設，從而建立了表達燃氣生成規律的形狀函式和以實驗方法確定的燃速函式。至此，套用這些理論已能建立數學模型並給出表達彈道規律的彈道解。由此在理論上和實踐上形成了以幾何燃燒定律和拉格朗日假設為基礎的內彈道學理論，即經典內彈道學。

20世紀20年代以後，隨著氣體動力學的發展，以及武器向高初速方向發展的需要，膛內物質流動現象已成為基礎理論研究的主要對象，並逐漸形成了新的學術領域。其基本內容就是套用氣動力原理來描述內彈道過程，建立起相應的數學模型，並得出非定常流的彈道解。最早得出分析解的是英國物理學家A.E.H.洛夫和數學家F.B.皮達克。他們提出火藥瞬時燃燒的單一氣相假定，建立了最簡單的數學模型，但是限於計算的困難，研究工作進展緩慢。直到50年代以後，隨著電子計算機的發展，才使模型不斷完善並發揮了應有的作用。70年代出現了K.K.郭及P.S.高夫等人建立在火藥粒逐層燃燒條件下的氣固混合相模型。其所給出的彈道解，基本上能夠反映出膛內氣流速度和壓力的分布規律，為研究膛內壓力波現象提供了必要的理論依據，並使非定常流的內彈道氣動力理論得到了較完善的發展。1979年，中國學者提出了內彈道勢平衡理論，並套用此理論研究膛內火藥實際燃燒規律，建立了相應的彈道解法，從而形成了一個新的、較為完整的、有別於以幾何燃燒定律為基礎的內彈道學理論。但它在處理膛內氣流問題上，仍然沿用經典內彈道學的拉格朗日假設。

由於內彈道過程具有高溫、高壓、高速及瞬時性的特點，其測量技術也相應地有其特點，並已發展成為專門的實驗研究領域。最早出現的彈道測量是1740年英國數學家、軍事工程師B.羅賓斯套用彈道擺法測量彈丸的初速。19世紀60年代P.勒布朗日發明了落體測時儀，大大地提高了測量初速精度；英國物理學家A.諾布爾又發明了銅柱測壓法測量槍炮的最大膛壓，並配合音叉測時法套用於密閉爆發器的壓力検奔淝?叩牟飭俊U飭街植飭考際醯姆⒄梗?鼓詰?姥Э?冀?胗τ每蒲У牧煊潁?暈淦韉姆⒄咕哂猩鈐兜囊庖濉?0世紀30年代以後，又發展了測量槍炮壓力検奔淝?叩難溝繅瞧鰨?庵忠瞧韉撓τ檬溝媚詰?覽礪奐捌湎嚶Φ慕夥ǖ玫攪絲凸鄣難櫓ぁ?946年，美國阿伯丁武器試驗場創建了第一代電子計算機，推動了複雜的理論問題研究，使彈道學的發展進入了一個新的階段。50年代後，隨著電子技術和計算技術的發展，廣泛套用了數據自動處理的測速和測壓儀器，測量炮身溫度分布的熱電偶，測量膛內彈丸速度隨時間變化的微波和雷射干涉儀，以及測量膛口彈丸運動姿態和流場變化的高速攝影儀等儀器。在實驗方法上廣泛發展了綜合性多參數的同步測量技術，以提供更多和更全面的數據。

此外，以液體發射藥為火炮能源的研究，已取得進展，其點火燃燒、燃氣生成及壓力變化規律與使用固體發射藥能源的情況又有所不同。它已成為內彈道學的一項新的研究內容。