彈丸膛內運動研究

王 俊，蔣澤一

（中北大學 機電工程學院，山西 太原 030051）

彈丸膛內運動研究

王 俊，蔣澤一

（中北大學 機電工程學院，山西 太原 030051）

彈丸膛內運動是火炮發射過程的重要組成部分,其顯著特點是過程極短，受力復雜。身管與彈丸的相互作用，嚴重影響火炮射擊精度，直接制約著武器效能的發揮。對近年來國內外膛內運動情況進行了深入分析，最后指出關鍵性的待解決問題與發展方向，可為身管與彈丸設計提供一定理論參考。

彈丸；身管；膛內運動

廣義的彈丸膛內運動可分成三個階段,即彈丸擠進過程，彈丸膛內運動過程和彈丸半約束期運動。彈丸在裝填、發射過程中受到各種不平衡因素的干擾，在火藥氣體的推動下不斷產生彈炮間的相互作用，形成了復雜的膛內運動。彈丸膛內運動的分析研究是彈丸正確設計的基礎[1]。以往在彈丸設計時，很少考慮載荷的動態沖擊作用，主要采用靜態強度設計方法。在新時期新形勢下，兵器科學研究方興未艾。常規身管武器要煥發新的活力，必須深入研究彈炮藥大系統，將三方面參數武器效能有機聯系起來。彈丸發射動力學正是一門研究彈丸膛內運動及起始擾動規律的交叉學科。

本文針對彈丸膛內運動進行研究，對涉及彈丸膛內運動的各方面、各因素進行介紹和強調，以期補充和促進彈丸膛內運動的相關研究。

1 彈丸擠進過程

盡管膛內過程非常短暫，但細分起來，可以分為五個連續變化的時期：點火及火藥靜態燃燒時期、擠進時期、火藥動態燃燒時期、絕熱膨脹時期和后效時期。前兩個時期，由擊發底火到彈丸全部擠進膛線，稱為初始彈道階段。

火炮的初始內彈道過程，即從彈丸起動至彈帶全部擠進身管這一過程，對內彈道性能具有重要的影響。彈帶擠進坡膛過程中，彈帶和膛面之間的機械磨損，使炮膛直徑增大，藥室增長。彈丸在膛內運動時，陽線的頂部和導轉側受到彈帶的機械磨損徑向尺寸擴大。彈帶及彈體都會對炮膛內壁表面產生擠壓力和摩擦力，加劇了炮膛的磨損[2]。

以往的研究往往忽略彈丸的擠進過程。內彈道學是研究槍炮發射時膛內所發生的力學、氣體動力學、熱力學和熱化學過程的科學。擠進壓力對整個內彈道過程影響極大。

2 彈丸膛內運動

2.1 受力分析

在發射過程中，彈丸與火炮系統耦合的發射動力學很復雜。彈丸運動與身管運動是相互影響的，彈丸前定心部與炮膛壁的碰撞運動，彈丸前定心部與膛壁的接觸處理方法都需要格外注意。采用恢復系數法，可以回避碰撞力的復雜計算。

受力分析，考慮力和力矩的多少，特別是對碰擊力、彈回力、陀螺力矩和科氏慣性力的考慮或不考慮，將影響運動方程的復雜程度。建立方程時，應根據分析重點，選擇性地考慮受力分析的重點，可以適當簡化問題的復雜性。限于篇幅，本文對各種情況下的受力不作分析，具體參見文獻[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）與身管內膛表面相互作用是引起身管損傷的主要原因。國內外對彈管耦合作用機理，做了不少研究。宏觀上，在發射過程中，彈丸不僅快速通過線膛這一運動通道，而且在膛內高速轉動。從微觀機理考察，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。微觀切削作用導致身管內膛的形態變化，這涉及到摩擦學與機械加工工藝的研究。

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

2.3 起始擾動

外彈道學中的理想彈道方程未考慮彈丸的不對稱等擾動因素。各種擾動因素所造成的實際彈道諸元產生偏差，即為發射過程終點的起始擾動。

彈丸膛內運動與起始擾動關系密切。研究彈丸出炮口的運動姿態對提高射擊精度有著重要意義。對武器系統而言，研究彈丸膛內運動的出發點和落腳點即在于減小起始擾動。

因為起始擾動是各種因素綜合影響的結果，所以研究起始擾動，就必須對各種因素統籌考慮。而在不同情況下，彈炮的相互作用不盡相同。因此，需要針對不同情況進行具體的分析研究，建立彈丸在發射階段的普遍動力學模型和較為完備的彈炮系統運動微分方程。

3 結束語

彈丸膛內運動對射擊精度的影響很大，國內外對此均很重視。要深入研究彈炮相互作用機理及其對彈道性能的影響，以全彈道思想與技術指引武器系統的理論與運用，還有一些關鍵工作需要做：

（1）膛內起始條件的研究，重點是擠進過程的模擬，試驗手段也急需發展。

（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，方能真實反映彈丸膛內運動規律，更好地實現理論和實際的互動。

（3）建立彈頭磨損的動態模型，確定磨損率與彈發射量之間的直接變化關系。

（4）火炮振動是彈丸發射動力學的基礎之一，是彈丸膛內運動的重要外界條件。完整的動態表征發射過程，需要建立切實可行的含運動彈丸的身管振動模型。

[1]黎春林，翁佩英.彈丸膛內運動分析[J].彈道學報，1994（1）：45-47.

[2]郭錫福.彈丸發射動力學[M].南京：華東工學院，1988.

[3]蔣澤一，李 強，薄玉成,等.火炮身管損傷的研究[J].機械工程與自動化，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 俊（1987—），男，河南信陽人，在讀碩士研究生，主要從事彈藥技術研究。