彈丸膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)研究

王 俊，蔣澤一

（中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051）

彈丸膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)研究

王 俊，蔣澤一

（中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051）

彈丸膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)是火炮發(fā)射過(guò)程的重要組成部分,其顯著特點(diǎn)是過(guò)程極短，受力復(fù)雜。身管與彈丸的相互作用，嚴(yán)重影響火炮射擊精度，直接制約著武器效能的發(fā)揮。對(duì)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行了深入分析，最后指出關(guān)鍵性的待解決問題與發(fā)展方向，可為身管與彈丸設(shè)計(jì)提供一定理論參考。

彈丸；身管；膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)

廣義的彈丸膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)可分成三個(gè)階段,即彈丸擠進(jìn)過(guò)程，彈丸膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)過(guò)程和彈丸半約束期運(yùn)動(dòng)。彈丸在裝填、發(fā)射過(guò)程中受到各種不平衡因素的干擾，在火藥氣體的推動(dòng)下不斷產(chǎn)生彈炮間的相互作用，形成了復(fù)雜的膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)。彈丸膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)的分析研究是彈丸正確設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)[1]。以往在彈丸設(shè)計(jì)時(shí)，很少考慮載荷的動(dòng)態(tài)沖擊作用，主要采用靜態(tài)強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法。在新時(shí)期新形勢(shì)下，兵器科學(xué)研究方興未艾。常規(guī)身管武器要煥發(fā)新的活力，必須深入研究彈炮藥大系統(tǒng)，將三方面參數(shù)武器效能有機(jī)聯(lián)系起來(lái)。彈丸發(fā)射動(dòng)力學(xué)正是一門研究彈丸膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)及起始擾動(dòng)規(guī)律的交叉學(xué)科。

本文針對(duì)彈丸膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究，對(duì)涉及彈丸膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)的各方面、各因素進(jìn)行介紹和強(qiáng)調(diào)，以期補(bǔ)充和促進(jìn)彈丸膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)的相關(guān)研究。

1 彈丸擠進(jìn)過(guò)程

盡管膛內(nèi)過(guò)程非常短暫，但細(xì)分起來(lái)，可以分為五個(gè)連續(xù)變化的時(shí)期：點(diǎn)火及火藥?kù)o態(tài)燃燒時(shí)期、擠進(jìn)時(shí)期、火藥動(dòng)態(tài)燃燒時(shí)期、絕熱膨脹時(shí)期和后效時(shí)期。前兩個(gè)時(shí)期，由擊發(fā)底火到彈丸全部擠進(jìn)膛線，稱為初始彈道階段。

火炮的初始內(nèi)彈道過(guò)程，即從彈丸起動(dòng)至彈帶全部擠進(jìn)身管這一過(guò)程，對(duì)內(nèi)彈道性能具有重要的影響。彈帶擠進(jìn)坡膛過(guò)程中，彈帶和膛面之間的機(jī)械磨損，使炮膛直徑增大，藥室增長(zhǎng)。彈丸在膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，陽(yáng)線的頂部和導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)受到彈帶的機(jī)械磨損徑向尺寸擴(kuò)大。彈帶及彈體都會(huì)對(duì)炮膛內(nèi)壁表面產(chǎn)生擠壓力和摩擦力，加劇了炮膛的磨損[2]。

以往的研究往往忽略彈丸的擠進(jìn)過(guò)程。內(nèi)彈道學(xué)是研究槍炮發(fā)射時(shí)膛內(nèi)所發(fā)生的力學(xué)、氣體動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)和熱化學(xué)過(guò)程的科學(xué)。擠進(jìn)壓力對(duì)整個(gè)內(nèi)彈道過(guò)程影響極大。

2 彈丸膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)

2.1 受力分析

在發(fā)射過(guò)程中，彈丸與火炮系統(tǒng)耦合的發(fā)射動(dòng)力學(xué)很復(fù)雜。彈丸運(yùn)動(dòng)與身管運(yùn)動(dòng)是相互影響的，彈丸前定心部與炮膛壁的碰撞運(yùn)動(dòng)，彈丸前定心部與膛壁的接觸處理方法都需要格外注意。采用恢復(fù)系數(shù)法，可以回避碰撞力的復(fù)雜計(jì)算。

受力分析，考慮力和力矩的多少，特別是對(duì)碰擊力、彈回力、陀螺力矩和科氏慣性力的考慮或不考慮，將影響運(yùn)動(dòng)方程的復(fù)雜程度。建立方程時(shí)，應(yīng)根據(jù)分析重點(diǎn)，選擇性地考慮受力分析的重點(diǎn)，可以適當(dāng)簡(jiǎn)化問題的復(fù)雜性。限于篇幅，本文對(duì)各種情況下的受力不作分析，具體參見文獻(xiàn)[2]。

2.2 彈管作用

彈管相互作用，主要考慮定心部、彈帶和身管的相互作用。

彈丸（主要是彈帶）與身管內(nèi)膛表面相互作用是引起身管損傷的主要原因。國(guó)內(nèi)外對(duì)彈管耦合作用機(jī)理，做了不少研究。宏觀上，在發(fā)射過(guò)程中，彈丸不僅快速通過(guò)線膛這一運(yùn)動(dòng)通道，而且在膛內(nèi)高速轉(zhuǎn)動(dòng)。從微觀機(jī)理考察，可以這樣描述：在外力（火藥氣體壓力）作用下，粗糙的剛性平面（身管膛線）與軟平面（彈頭表面）相互接觸。微觀切削作用導(dǎo)致身管內(nèi)膛的形態(tài)變化，這涉及到摩擦學(xué)與機(jī)械加工工藝的研究。

控制身管損傷的途徑有二：降低彈丸作用于內(nèi)膛的橫向載荷；提高內(nèi)膛的耐磨性。美軍試驗(yàn)表明，采用塑料彈帶可惜顯著降低身管損傷[3]。

2.3 起始擾動(dòng)

外彈道學(xué)中的理想彈道方程未考慮彈丸的不對(duì)稱等擾動(dòng)因素。各種擾動(dòng)因素所造成的實(shí)際彈道諸元產(chǎn)生偏差，即為發(fā)射過(guò)程終點(diǎn)的起始擾動(dòng)。

彈丸膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)與起始擾動(dòng)關(guān)系密切。研究彈丸出炮口的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)對(duì)提高射擊精度有著重要意義。對(duì)武器系統(tǒng)而言，研究彈丸膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)的出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)即在于減小起始擾動(dòng)。

因?yàn)槠鹗紨_動(dòng)是各種因素綜合影響的結(jié)果，所以研究起始擾動(dòng)，就必須對(duì)各種因素統(tǒng)籌考慮。而在不同情況下，彈炮的相互作用不盡相同。因此，需要針對(duì)不同情況進(jìn)行具體的分析研究，建立彈丸在發(fā)射階段的普遍動(dòng)力學(xué)模型和較為完備的彈炮系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)微分方程。

3 結(jié)束語(yǔ)

彈丸膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)對(duì)射擊精度的影響很大，國(guó)內(nèi)外對(duì)此均很重視。要深入研究彈炮相互作用機(jī)理及其對(duì)彈道性能的影響，以全彈道思想與技術(shù)指引武器系統(tǒng)的理論與運(yùn)用，還有一些關(guān)鍵工作需要做：

（1）膛內(nèi)起始條件的研究，重點(diǎn)是擠進(jìn)過(guò)程的模擬，試驗(yàn)手段也急需發(fā)展。

（2）目前的模型很少涉及到彈丸與膛線的相互作用。考慮彈丸與膛線的相互作用，方能真實(shí)反映彈丸膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，更好地實(shí)現(xiàn)理論和實(shí)際的互動(dòng)。

（3）建立彈頭磨損的動(dòng)態(tài)模型，確定磨損率與彈發(fā)射量之間的直接變化關(guān)系。

（4）火炮振動(dòng)是彈丸發(fā)射動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)之一，是彈丸膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)的重要外界條件。完整的動(dòng)態(tài)表征發(fā)射過(guò)程，需要建立切實(shí)可行的含運(yùn)動(dòng)彈丸的身管振動(dòng)模型。

[1]黎春林，翁佩英.彈丸膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)分析[J].彈道學(xué)報(bào)，1994（1）：45-47.

[2]郭錫福.彈丸發(fā)射動(dòng)力學(xué)[M].南京：華東工學(xué)院，1988.

[3]蔣澤一，李 強(qiáng)，薄玉成,等.火炮身管損傷的研究[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2013（5）：221-222.

Study on Projectile Motion in Bore

WANG Jun，JIANG Ze-yi
(SchoolofMechatronic Engineering，North University ofChina，Taiyuan 030051，China)

The projectile motion in bore is the key part of artillery launch process.It is fast and complicated.The projectile interaction with gun barrel restricts the effectivenessofweapons.We deeply analysis the developmentofstudy on projectilemotion in bore home and abroad.At last,we promote the key problem and development direction.The technical research can provide reference for design of projectile and gun barrel.

projectile；gun barrel；motion in bore

TJ303

B

1672-545X（2014）04-0065-02

2014-01-06

王 ?。?987—），男，河南信陽(yáng)人，在讀碩士研究生，主要從事彈藥技術(shù)研究。