一种非火药驱动气体炮实用内弹道方程及应用

山西中北大学机电工程学院 王立君 赵俊利

引言

热能转化为机械能必须借助传递能量的载能物质。利用高压气体推动运动件运动使热能转换为机械能的过程往往是高压气体的静力、动力及热力的复杂的综合过程。在实际分析时通常利用计算机变成利用数值求解方式进行求解，但这种求解方式要求设计人员具备一定的编写计算机语言的能力。因而工程设计中往往需要寻找一种有较高计算精度且简便快捷的求解方式，以满足方案设计阶段的理论计算。本文通过系统热机能量传递原理对非火药燃气内弹道方程进行公式推导，得出一种热能转换模式下的具有较高精度的简易内弹道模型。

1 非火药驱动气炮原理

在一些需要非火药驱动的高速试验过程如降落伞的性能试验、灭火弹的抛射等民用装备中需要一种不会产生较高温度，且能传递较大速度的结构中，通常采用空气炮原理，释放高压气体推动弹丸运动，提供较大的发射速度，其发射原理如图1所示。

图1 典型气体炮发射原理图

现将弹丸装在身管起始部，关闭控制阀；向气室充气至所需求得初始压力；发射时，启动控制阀，气室内压缩气体推动弹丸向前运动，在身管内不断膨胀加速弹丸至炮口，弹丸获得炮口速度,完成内弹道发射过程。

1.1 基本假设

借鉴气体内能公式，研究气体炮内弹道做出如下假设：

（1）弹丸在气体作用下向前运动时，任意时刻弹后容积的气体压力均匀分布；

（2）由于发射过程时间很短，气体膨胀过程认为是等熵绝热过程；

（3）引入次要功计算系数φ来考虑摩擦功及其他能量的损失。

1.2 内弹道基本方程

热力学定律：

能量方程：

绝热方程：

（1）社会团体财产权。社会团体法人财产观认为行业协会商会、工会、宗教组织等社会团体应对合法所得享有财产权，政府或个人等投入社会团体的资源不应视为投资行为而享有任何财产权利。如贾西津（2016）认为“将行政支持误当成行政投资……易形成国有资产的不当扩大化”，建议采用“行业协会资产”这一政策性概念。沈永东、宋晓清（2016）提出，行业协会商会脱钩改革要确保行业协会商会真正拥有独立自主权，拥有独立的社团法人地位，政府不应干涉行业协会商会独立自主开展活动。

理想气体方程：

运动过程能量守恒：

式中，δQ为热产，Σδmiπi为输入能量，Σδmeπe为输出能量，dU内能，δL做功，m为弹丸质量，mq为气体质量，T1、T2分别为初始与炮口位置温度，U1、U2为初始与炮口气体内能。W1、W2为初始与炮口时期气体容积。γ为气体绝热系数，v为弹丸炮口速度。

速度与时刻容积关系式：

由火炮内弹道学可知：

φ为次要功计算系数值，K为取决于气体做功效率的实验因数，根据经验，气体炮内弹道计算时，可取K=1.1。

压力与时刻容积的关系式：

2 试验论证

在保持弹丸的质量5kg不变的情况下，依次改变初始压力，从1.00Mpa开始以0.1Mpa为增量增加到1.60Mpa，一共7组数据。

射击状态：0°射角；

测试条件：采用接触式网靶，使用DCS-453测时仪，同时一靶距和两靶距炮口均为1m。

测试结果见表1。

对于非火药燃气的高压气体做功问题，采用以上所建立的计算模型和假设适用于空气炮设计计算，计算误差在3%以下。

表1 测试结果数据对比

3 结论

通过上述数据拟合曲线，更形象地表达计算值和实测值的误差，如图2初速计算值与实浏值比较。

图2 初速计算值与实浏值比较

本文研究的气体炮内弹道理论和技术，应用了内弹道和气体动力学理论，所给出的计算公式和参数具有实用价值，已经在某重点实验室得到应用。实践证明，该理论可方便、准确、快捷地用于各种气体炮技术的开发和研制。

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