内弹道学

弹道学分支

内弹道学（interior ballistics）研究发射过程中枪炮膛内及固体火箭发动机内的火药燃烧、物质流动、能量转换和枪炮弹丸的运动等规律以及其他有关现象的学科。是弹道学的一个分支。

发展沿革

内弹道学作为一个独立学科的形成，应追溯到1740年英国数学家.军事工程师鲁宾斯(RobinsB)利用弹道摆测得弹丸初速的历史时期。以初速为分界将整个弹道段分成膛内弹道学和膛外弹道学。内弹道学的发展史不仅与数理基础科学和技术科学的发展密切相连，而且也与枪炮及其火药的发展密切相关。在武器弹药系统不断完善的过程中也逐渐地形成了内弹道学的理论体系。

早在18世纪末(约1793年)，法国的数学家和力学家拉格朗日(LagrangeJL)用流体力学的观点研究膛内射击现象，并提出了弹后空间燃气质量均匀分布的拉格朗日假设，系统地研究了弹后空间压力分布和平均压力、膛底压力及弹底压力之间的关系问题。这些研究工作为经典内弹道学的发展奠定了基础。1864 年，法国科学家雷萨尔(Resal H)应用热力学第-定律建立了内弹道能量方程。1868- 1875 年，英国物理学家诺贝尔( NobleA)和化学家阿贝尔(Abel F)应用密闭爆发器的试验.确定火药燃气状态方程。到19世纪末，皮奥伯特(Piobert)等人总结前人研究黑火药的成果及无烟火药的平行层燃烧现象，提出了几何燃烧定律的假设，从而建立起表示燃气生成规律的形状函数和以实验方法确定的燃速方程。至此，应用这些理论建立起比较完善的经典内弹道学理论体系。在这一时期，相继出现了一些内弹道学论文和专著。1901 年，俄国的内弹道学家别令克(bpHHK A φ)写成了当时最完整的内弹道学教程，并被美、德等国译出。1903 年，特拉滋多夫(lpo3.1OB H φ)在《火炮杂志》上发表了《内弹道学基本问题的精确解法》的学术论文。1906年，法国弹道学家夏朋里(Charbonnier)发表了包括《内弹道方程》和《数值解法)的内弹道学论著。而后苏歌脱(Sugot)对夏朋里所给出内弹道方程作了某些改进，并以《夏朋里一苏哥脱内弹道学》发表在1913年法国《炮兵杂志》上。1926 年，德国弹道学家克朗茨(Cranz)也出版了《内弹道学》一书。在1911- 1934年，格拉维( Tpane H I)完成包括《火药燃烧动力学》和《火药燃烧静力学》等四卷内弹道学专著，堪称内弹道学百科全书。

到20世纪中叶，经典内弹道学的发展已经进人到相当成熟的时期，出版了一系列有影响的学术专著。其中包括:1950年英国的化学家康纳(Corner J)完成的《火炮内弹道学》，1951年亨特(Hunt F R W)完成的《内弹道学)以及1962年苏联的内弹道学家谢列伯梁可夫(CepeOpnKoB M E)完成的《身管武器和火药火箭内弹道学》。这些专著涉及经典内弹道学中的各个研究领域，内容系统而详尽.特别是谢列伯梁可夫的《内弹道学》是一本极好的教科书。中国的内弹道学专家鲍廷钰教授于1957年出版了《特种武器内弹道学》，系统地阐述了无后坐炮、迫击炮和固体火箭的内弹道理论。1957 年，苏联学者贝切赫钦(berexTHH C A)出版了《内弹道气体动力学原理》- -书.该书系统地讨论了膛内气流问题.除对拉格朗日问题作了深人的研究外，还在该书中首次提出膛内两相流问题，并建立起内弹道均相流数学模型，对现代内弹道学理论进行了开创性的研究。

1979年，鲍廷钰教授提出了内弹道势平衡理论，并应用此理论研究膛内实验燃烧规律，建立了相应的内弹道解法.形成了一个有别于以几何燃烧定律为基础的内弹道学理论。《内弹道势平衡理论及其应用》一书在1987 年和1988年分别用中文和英文形式出版。为了适应教学的需要，1978年和1984年，华东工程学院103教研室编写出版了《内弹道学》和(内弹道实验原理》。1995 年，鲍廷钰、邱文坚编写出版了《内弹道学》。1997年，官汉章.邹瑞荣编写出版了《实验内弹道学》。这些教科书是在长期教学经验的积累和内弹道科研成果的基础上完成的，在一定程度上反映了当时中国内弹道教学和理论的水平。

到20世纪70年代以后.现代内弹道学开始兴起。具有代表性的著作如:1973年，美国学者郭冠云(KuoKY)等发表的《在密闭条件下多孔火药装药床中火焰阵面的传播)学术论文;1979年，由克里尔(Krier H)和萨默菲尔德(Summerfield M)主编的《火炮内弹道学》，以及1979年高夫(Gough P S)和习瓦斯(Zwarts F T)发表的《非均匀两相反应流模拟》等学术论文和专著。中国的内弹道工作者在20世纪八九十年代也相继出版了一些有影响的教材和学术专著，如:1983年，金志明、袁亚雄编写出版的《内弹道气动力原理》;1990年，金志明、袁亚雄、宋明编写出版的《现代内弹道学》;1990年和1994年，由周彦煌.王升晨编写出版的《实用两相流内弹道学》和(膛内多相燃烧理论及应用》;2001年，金志明、翁春生编写出版的《火炮装药设计安全学);2003年金志明、翁春生编写出版的《高等内弹道学)等。这些著作反映了中国在现代内弹道学方面教学和理论的水平。

研究范畴与分类

枪炮和火箭大都以火药为能源。其工作过程也都是从点火开始，通过机械击发、电热或其他方式将点火药点燃，产生的高温燃气及灼热粒子，再点燃发射装药。着火后的装药在点火过程迅速扩展到整个装药表面的同时，沿着药粒厚度向内层燃烧，不断生成高温的燃气。枪炮和火箭就是通过这种燃气在有限容积中所形成的高压，产生了相应不同的发射现象。前者是高压燃气直接膨胀做功，推动弹丸沿身管向前加速运动；同时，火药燃气本身以及部分药粒也随着向前运动。后者则是通过在喷管中的膨胀作用产生高速气流，利用气流的反作用力推动火箭运动。这两种不同的发射方式标志了两种典型武器，而与其相应的内弹道学也就划分为两种不同的研究范畴，即身管武器内弹道学(或枪炮内弹道学)和火箭内弹道学。

枪炮膛内的射击现象包含多种运动形式。除了在火药燃气压力作用下的弹丸、燃气及药粒沿身管的运动，标志着身管武器内弹道基本特征之外，同时还有一些与武器结构有关的其他运动形式。例如，线膛武器的弹丸旋转运动，密闭类型身管武器的身管后坐运动等。在半密闭类型身管武器中，无坐力炮虽不存在炮身的后坐运动，但有火药燃气从炮尾喷管流出的运动；而迫击炮则有身管的后坐运动，同时还有燃气从间隙流出的现象。因而，身管武器内弹道学又常划分为各种类型武器的内弹道学，如一般枪炮(枪、加农炮、榴弹炮等)内弹道学、无坐力炮内弹道学、迫击炮内弹道学等。在固体火箭发动机内，除了燃烧室存在复杂的燃气流动外，还有燃烧产物在喷管中膨胀与高速流出的现象，以致发动机内的质量不断减少。因此，按热力学过程的性质来区分，一般枪炮属于密闭的变质量变容系统，无坐力炮与迫击炮属于半密闭的变质量变容系统，而火箭则属于半密闭的变质量定容系统。

对象和性质

内弹道学所研究的对象，归纳起来主要有以下4个方面：

①点火药和火药的物理化学性质，火药点火与燃烧过程的机理及规律。

②枪炮膛内与固体火箭发动机内的火药燃气与固体药粒之间的两相流动现象。

③有关弹带嵌进膛线的受力变形现象，以及弹丸和枪炮自身的运动现象等。

④有关能量转换及输运的热力学和火药燃气与膛壁或发动机之间的热传导现象等。这些研究对象表明，内弹道学是一门涉及化学热力学、传热学、燃烧理论、气体动力学及固体力学等学科领域的综合性应用学科。

目的和方法

内弹道学研究的根本目的，是揭示发射过程中的各种规律及其影响因素，为改进现有武器和发展新武器提供依据。其主要研究内容，是根据射击武器的特点及其主要现象的物理实质，建立描述过程变化的质量方程、动量方程、能量方程以及状态方程等，组成内弹道方程组。方程组的解即可直接体现出发射系统所发生的各种变化规律，解决内弹道计算和内弹道设计问题。前者是指从已知身管武器系统的有关数据，计算出相应的燃气压力及弹丸速度随弹丸运动的行程及时间变化的规律，或从已知火箭武器系统的有关数据计算出发动机内的燃气压力及全弹速度随时间变化的规律；后者则是根据战术要求所给定的口径、弹丸质量和初速等主要指标，确定出合理的武器系统设计方案。这两种计算都可以直接通过对方程组所编制的计算机程序来完成。

内弹道方程组所解出的燃气压力p随时间t的变化曲线，是内弹道过程特征的标志。因此，身管武器和火箭武器有各自不同的典型曲线。图1的p梩曲线所标志的身管武器热力学过程特征表明，其压力变化规律决定于火药燃气生成速率和弹后空间增加速率，前者增加使压力增长，而后者增加则使压力下降。当两种效应达到瞬时平衡时，即给出最大压力pm。但是，p梩曲线虽然有升降的变化，而弹丸则因一直受压力的作用不断加速，从而给出如图所示的v梩曲线。弹丸出膛口瞬间的速度vg称为膛口速度，通常可视为初速，最大压力和初速是身管武器的两个主要弹道标志量。图2的p梩曲线同图1有所不同，代替弹后空间变化的因素，是火药燃气经过喷管的流出速率，而且在相当一段时间内可以使压力保持接近不变的相对平衡状态，如图中压力变化平缓的pc，称为平衡压力，它是反映火箭弹道特征和火箭发动机性能的主要标志量。

压力曲线不仅直接反映出一定装药条件下的压力变化规律，而且也间接地反映了火药燃烧规律和弹丸速度的变化规律。所以，它体现了内弹道的内在规律对武器的性能有很大影响。改变压力变化曲线，主要依靠装药结构的设计。因此，为了保证武器的弹道性能，必须研究装药结构对压力变化的影响，从而使得发射装药设计成为内弹道设计的一个主要组成部分。

根据身管武器的内弹道特点，整个压力变化规律是否优化，主要是通过两个弹道指标来评价，即发射药能量利用效率和炮膛工作容积(弹丸行程与炮膛截面之积)利用系数。前者是指弹丸飞离膛口瞬间，火药燃气所完成的总功与火药燃气总能量的比值，通常称为弹道效率。后者则是指弹丸飞离膛口瞬间，火药燃气所完成的总功与炮膛工作容积和最大膛压的乘积之间的比值，它是衡量压力曲线变化平缓程度的相对标准，故又称为示压效率。在身管武器中，弹道效率一般约为20%～30%，示压效率则在0.5～0.75之间。发射装药设计的方法就是以这两种效率为依据，通过发射药的种类、性质、形状和尺寸，以及装药结构等的选择来调整压力曲线，以期达到各项指标要求。

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