弹丸膛内运动研究

王 俊，蒋泽一

（中北大学 机电工程学院，山西 太原 030051）

弹丸膛内运动研究

王 俊，蒋泽一

（中北大学 机电工程学院，山西 太原 030051）

弹丸膛内运动是火炮发射过程的重要组成部分,其显著特点是过程极短，受力复杂。身管与弹丸的相互作用，严重影响火炮射击精度，直接制约着武器效能的发挥。对近年来国内外膛内运动情况进行了深入分析，最后指出关键性的待解决问题与发展方向，可为身管与弹丸设计提供一定理论参考。

弹丸；身管；膛内运动

广义的弹丸膛内运动可分成三个阶段,即弹丸挤进过程，弹丸膛内运动过程和弹丸半约束期运动。弹丸在装填、发射过程中受到各种不平衡因素的干扰，在火药气体的推动下不断产生弹炮间的相互作用，形成了复杂的膛内运动。弹丸膛内运动的分析研究是弹丸正确设计的基础[1]。以往在弹丸设计时，很少考虑载荷的动态冲击作用，主要采用静态强度设计方法。在新时期新形势下，兵器科学研究方兴未艾。常规身管武器要焕发新的活力，必须深入研究弹炮药大系统，将三方面参数武器效能有机联系起来。弹丸发射动力学正是一门研究弹丸膛内运动及起始扰动规律的交叉学科。

本文针对弹丸膛内运动进行研究，对涉及弹丸膛内运动的各方面、各因素进行介绍和强调，以期补充和促进弹丸膛内运动的相关研究。

1 弹丸挤进过程

尽管膛内过程非常短暂，但细分起来，可以分为五个连续变化的时期：点火及火药静态燃烧时期、挤进时期、火药动态燃烧时期、绝热膨胀时期和后效时期。前两个时期，由击发底火到弹丸全部挤进膛线，称为初始弹道阶段。

火炮的初始内弹道过程，即从弹丸起动至弹带全部挤进身管这一过程，对内弹道性能具有重要的影响。弹带挤进坡膛过程中，弹带和膛面之间的机械磨损，使炮膛直径增大，药室增长。弹丸在膛内运动时，阳线的顶部和导转侧受到弹带的机械磨损径向尺寸扩大。弹带及弹体都会对炮膛内壁表面产生挤压力和摩擦力，加剧了炮膛的磨损[2]。

以往的研究往往忽略弹丸的挤进过程。内弹道学是研究枪炮发射时膛内所发生的力学、气体动力学、热力学和热化学过程的科学。挤进压力对整个内弹道过程影响极大。

2 弹丸膛内运动

2.1 受力分析

在发射过程中，弹丸与火炮系统耦合的发射动力学很复杂。弹丸运动与身管运动是相互影响的，弹丸前定心部与炮膛壁的碰撞运动，弹丸前定心部与膛壁的接触处理方法都需要格外注意。采用恢复系数法，可以回避碰撞力的复杂计算。

受力分析，考虑力和力矩的多少，特别是对碰击力、弹回力、陀螺力矩和科氏惯性力的考虑或不考虑，将影响运动方程的复杂程度。建立方程时，应根据分析重点，选择性地考虑受力分析的重点，可以适当简化问题的复杂性。限于篇幅，本文对各种情况下的受力不作分析，具体参见文献[2]。

2.2 弹管作用

弹管相互作用，主要考虑定心部、弹带和身管的相互作用。

弹丸（主要是弹带）与身管内膛表面相互作用是引起身管损伤的主要原因。国内外对弹管耦合作用机理，做了不少研究。宏观上，在发射过程中，弹丸不仅快速通过线膛这一运动通道，而且在膛内高速转动。从微观机理考察，可以这样描述：在外力（火药气体压力）作用下，粗糙的刚性平面（身管膛线）与软平面（弹头表面）相互接触。微观切削作用导致身管内膛的形态变化，这涉及到摩擦学与机械加工工艺的研究。

控制身管损伤的途径有二：降低弹丸作用于内膛的横向载荷；提高内膛的耐磨性。美军试验表明，采用塑料弹带可惜显著降低身管损伤[3]。

2.3 起始扰动

外弹道学中的理想弹道方程未考虑弹丸的不对称等扰动因素。各种扰动因素所造成的实际弹道诸元产生偏差，即为发射过程终点的起始扰动。

弹丸膛内运动与起始扰动关系密切。研究弹丸出炮口的运动姿态对提高射击精度有着重要意义。对武器系统而言，研究弹丸膛内运动的出发点和落脚点即在于减小起始扰动。

因为起始扰动是各种因素综合影响的结果，所以研究起始扰动，就必须对各种因素统筹考虑。而在不同情况下，弹炮的相互作用不尽相同。因此，需要针对不同情况进行具体的分析研究，建立弹丸在发射阶段的普遍动力学模型和较为完备的弹炮系统运动微分方程。

3 结束语

弹丸膛内运动对射击精度的影响很大，国内外对此均很重视。要深入研究弹炮相互作用机理及其对弹道性能的影响，以全弹道思想与技术指引武器系统的理论与运用，还有一些关键工作需要做：

（1）膛内起始条件的研究，重点是挤进过程的模拟，试验手段也急需发展。

（2）目前的模型很少涉及到弹丸与膛线的相互作用。考虑弹丸与膛线的相互作用，方能真实反映弹丸膛内运动规律，更好地实现理论和实际的互动。

（3）建立弹头磨损的动态模型，确定磨损率与弹发射量之间的直接变化关系。

（4）火炮振动是弹丸发射动力学的基础之一，是弹丸膛内运动的重要外界条件。完整的动态表征发射过程，需要建立切实可行的含运动弹丸的身管振动模型。

[1]黎春林，翁佩英.弹丸膛内运动分析[J].弹道学报，1994（1）：45-47.

[2]郭锡福.弹丸发射动力学[M].南京：华东工学院，1988.

[3]蒋泽一，李 强，薄玉成,等.火炮身管损伤的研究[J].机械工程与自动化，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，河南信阳人，在读硕士研究生，主要从事弹药技术研究。