火炮发射动力学概论第6讲-2010讲解
火工品第六章炮弹雷管详解
（3）压力
火焰作用时一般密度小，火焰感度就大，容易点燃，可
是承受发射时的震动的安全性差，使用不安全，或容易
造成药粒间相互摩擦，掉药粉，引起事故。同时压力过 小，起爆能力降低，造成雷管的威力不足。 针刺作用时原发装药压力过大或过小都是不合适的。在 一定范围内，压力增大，其感度增大。但是，压力过大，
有效装药高度Le与药柱直径和α之间的关系为：
Le d 2tg
理论上装药的径向稀疏波平均速度约等于装药 爆速D的二分之一，因此α可以由下式确定：
arctg 2
D D
因此，Le≈d
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晶体尺寸越小，临界直径和极限直径也越小
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b.装药密度。 临界直径和极限直径随密度增大而大大减小，而且它们 之间的界限也减小。
梯恩梯临界直径与密度的关系 1-0.2~0.7mm 2-0.05~0.07mm
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c.外壳 有外壳时，临界直径和极限直径要比无外壳时小，且外 壳强度越大，临界直径和极限直径就越小。
表 4.5.1.2
外壳对临界直径的影响 密度/ g· cm-3 1.00 1.00 1.00 1.00 临界直径 晶粒/mm /mm 0.18 0.15~0.025 0.18 0.1~0.025 4.4 1.2 3.2 0.9
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火炮的物理原理
火炮的物理原理一、简介火炮是口径在20毫米以上，用火药的爆发力发射弹丸的重火器的通称。
火炮用于歼灭敌有生力量和压制敌方火器，破坏敌防御工事，完成陆地、海洋和空中的其它打击任务。
13至14世纪时，中国的火药和火器制造技术传入信仰伊斯兰教的国家和欧洲，欧洲的火炮开始发展。
19世纪开始，随工业和科学技术的发展，火炮迅速发展起来，出现了发射长形弹的线膛炮，并安装有弹性炮架。
火炮发展至今，已经是儿孙满堂，不仅家族支系众多，而且家族成员的外貌也差别甚大，出现了有善于对付各种目标的专门火炮：按安装发射的平台不同可分为地面炮、舰炮和航炮；按运动方式可分为固定火炮、机械牵引炮和自行火炮；按作战用途又可分为地面压制火炮、海岸炮、高射炮、坦克炮、特种炮等；按口径大小可分为：大口径炮（高炮在100毫米、地炮在152毫米、舰炮130毫米以上）；中口径炮（高炮在61～100毫米、地炮在76～152毫米、舰炮在76～130毫米左右）；小口径炮（高炮在20～60毫米、地炮在20～75毫米、舰炮在20～57毫米之间）。
按炮膛结构可分为线膛炮和滑膛炮；按弹道特性可分为加农炮（弹道低伸）、榴弹炮（弹道较弯曲）和迫击炮（弹道最弯曲）按装填方式可分为前装式火炮和后装式火炮。
二、基本构造现代火炮的基本组成部分有：炮身、炮尾、炮闩和炮架等。
其作用原理是将发射药在膛内燃烧的能量转换为弹丸的炮口动能以抛射弹丸，同时产生声、光、热等效应。
火炮的主要战术技术性能是初速、射程、精度、射速和机动性等。
火炮的主要任务是用于对地面、空中和水上目标射击，毁伤和压制敌有生力量及技术兵器，以及完成其它任务。
火炮的结构身管火炮的外观及其组成部件视炮种及其用途而异。
尽管有这些差别，然而身管火炮都是按照几乎相同的方法制造的。
身管火炮有两个或两组主要部件，就是炮身部分和炮架部分。
炮架部分用于支承炮身和保持火炮射击时的稳定性。
炮架部分包括瞄准装置，在某些情况下它还可作为运送炮身部分的手段。
火炮振动与控制的发展现状及应用前景
第41卷第6期2021年12月振动、测试与诊断Vol.41No.6Dec.2021 Journal of Vibration，Measurement&Diagnosis火炮振动与控制的发展现状及应用前景∗杨国来，葛建立，孙全兆，王丽群（南京理工大学机械工程学院南京，210094）摘要火炮是一个多场耦合复杂系统，其发射过程具有高瞬态和强冲击特征，火炮振动是影响射击精度的重要因素之一，是火炮领域的重要研究内容。
近年来提出了火炮多体系统动力学、非线性动态有限元、多目标多学科优化及不确定性等火炮现代设计理论与方法，对炮身、架体、底盘等重要部件及各部件间连接关系组成的火炮系统进行建模、仿真及优化，从而达到减小炮口振动、提高射击稳定性和射击安全性的目的。
笔者从火炮振动与系统优化、弹炮耦合、火炮不确定性分析与优化等方面对近年来取得的成果进行了总结和分类讨论，并提出了火炮振动领域存在的问题及火炮振动与控制的应用前景。
关键词火炮振动；射击精度；多体系统动力学；有限元法；弹炮耦合；不确定性中图分类号TJ3引言火炮在第二次世界大战中被誉为“战争之神”，是当今世界各国军队常规武器装备的主体。
火炮发射过程中，在高温、高压、高瞬态火药燃气压力作用下不可避免地产生振动，特别是炮口振动会对火炮射击精度造成不利影响。
火炮射击精度涉及到火炮、弹药及气象条件等，是一个复杂的系统问题。
为了研究方便，常常将火炮划分成不同的子系统，但是不同子系统之间是相互影响和高度耦合的。
因此，采用完整的系统方法来解决精度问题是一个更好的选择。
近年来，连续体力学、动力学设计、数值和计算机技术以及测试技术等各个学科分支在解决复杂工程问题中取得了很大进展，这为通过新技术更好地理解和改进火炮射击精度提供了可能性［1］。
火炮射击精度包括射击准确度和射击密集度，射击准确度与系统误差有关，可以修正；射击密集度是惯性弹丸的随机散布，与多种不确定性有关，无法消除，但是可以通过合理设计，控制在一定范围内。
火炮与自动武器
（2） 进行火炮与自动武器多体系统动力学建模和仿真，全面预测发射 过程中武器系统的动力学特性，预测各构件承受的载荷，为评价武器工
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牛顿-欧拉法为矢量力学方法。牛顿-欧拉法中要求对每个刚体列写动 力学方程，由于铰约束力的存在，使得动力学方程中含有大量的、不 需要的未知变量，所以采用牛顿-欧拉方法，必须制定出便于计算机识 别的刚体联系情况和约束形式的程式化方法，并自动消除约束反力
拉格朗日方程法是分析力学的一种方法，是关于约束力学系统的动力 学方程。它有两种形式：一种是第一类拉格朗日方程，用直角坐标表 示的带有不定乘子的微分方程，既适用于完整系统，也适用于线性非 完整系统；另一种是第二类拉格朗日方程，用广义坐标表示的微分方 程，只适用于完整系统。
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二 、有限元分析方法
已经发展的数值分析方法可以分为两大类。一类以有限差分法为代表。 其特点是直接求解基本方程和相应定解条件的近似解。
另一类数值分析方法是有限元法，有限元法把一个连续体系统离散成 有限个单元，每个单元采用近似函数表示，采用“有限个单元”组成 的系统来近似连续体系统。
有限元法的一般求解步骤如下：第一步将连续体简化为由有限个单元 组成的离散化模型；第二步对离散化模型求出数值解答。
（1） 物理概念清晰。 （2） 灵活性与通用性。
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第三节 火炮与自动武器动力学的应用范围
火炮与自动武器动力学是火炮与自动武器专业方向的主干课程，是当前 培养合格的火炮与自动武器专业技术人才过程中不可缺少的重要环节之
火炮设计理论 学习指南
《火炮设计理论》课程简介火炮设计理论是武器系统与工程（火炮）专业的主要专业课，是一门综合应用基础理论和专业基础理论的工程设计课程。
通过本课程学习，使学生掌握火炮设计基本理论和方法，为今后的工作打下专业基础。
火炮设计理论，是火炮工程研究的理论依据，是火炮科研人员必须掌握的基本理论。
火炮设计理论主要研究火炮这样一种特殊机械系统在高温、高压、高速、高应变率状态下的特性及其设计理论。
火炮设计理论课程主要介绍火炮设计的基本概念、基本理论和基本方法，包括火炮设计理论的主要内容和发展，火炮主要零部件（包括炮身、反后坐装置、自动机及炮架等）的设计理论和方法。
教学组织以课堂教学为主，辅助自学、网络教学和实验教学。
教学方式以多媒体课件为主，结合板书、交流互动等多种形式。
课程的教学目标与基本要求1. 教学目标：通过本课程的学习，使学生掌握火炮及其主要零部件设计的基本理论和方法，提高学生综合运用学习过的基础理论和专业基础知识及解决实际工程技术问题的能力。
2. 基本要求：了解火炮设计理论及其发展，熟悉火炮设计理论的基本方法和思路，掌握炮身、反后坐装置、自动机、炮架等火炮主要零部件设计的基本理论和方法。
学时数：总 64 学时，其中：授课56学时，实验8学时教材：张相炎主编，火炮设计理论，北京理工大学出版社，2005年参考书目：①谈乐斌等编，火炮概论，北京理工大学出版社，2005年②伊玲益编，炮身设计，国防工业出版社，1977年③高树滋等编，火炮反后坐装置设计，兵器工业出版社，1995年④张相炎编著，火炮自动机设计，北京理工大学出版社，2010年⑤韩魁英等编，火炮自动机设计，国防工业出版社，1988年⑥孙远孝等编，炮架及总体设计，兵器工业出版社，1995年第1次课(1 绪论)一、教学目的和要求了解火炮设计理论的地位和作用、发展，熟悉火炮设计理论的主要内容。
二、教学内容纲要1 火炮的特点、地位、作用2 火炮设计流程3 火炮设计理论的主要内容、方法4 课程的地位、作用、学习方法与基本要求5 课程的学习安排三、重点、难点课程的特点、学习方法、要求四、教学方法，实施步骤根据本章课的内容特点，运用启发式、分析式等教学方法讲授本课程内容。
内弹道学概述及火药的基本知识
• ①有关点火药和火药的热化学性质、燃烧机理以及点火、传火的规律 ；
• ②有关火药燃烧及燃气生成的规律； • ③有关枪炮膛内火药燃气和火药颗粒的多维、多相流动及其相间输运
现象；
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７.１ 内弹道学概述
第７章 内弹道学概述及火药的基本知识
• ７.１ 内弹道学概述 • ７.２ 火药的基本知识
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７.１ 内弹道学概述
• ７.１.１ 火炮发射的内弹道过程
• 火药（发射药）为发射弹丸提供了能源。在适当的外界能量作用下， 火药自身能在密闭条件下进行迅速而有规律的燃烧，同时生成大量高 温燃气。在内弹道过程中，身管中的固体火药通过燃烧将蕴含在火药 中的化学能转化为热能，弹后空间中的热气急剧膨胀，从而驱动弹丸 在身管内声速前进。
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７.２ 火药的基本知识
• ７.２.１ 火药的化学成分、制造过程和性能特 点
• 传统的火炮或轻武器都以火药作为射击的能源，主要是因为它具有这 样一些优点：首先，火药是一种固体物质，其生产、贮存、运输、使 用比较方便；其次，在射击过程中，经过点火作用产生急速的化学变 化，火药分解出大量的高温气体，这些气体在一定的条件下膨胀做功 ，从而使炮膛中的弹丸获得较大的速度；通过火药的成分、形状和尺 寸的变化可以控制它的燃烧规律，从而控制射击现象，达到我们所要 求的弹道性能。
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Hale Waihona Puke ７.１ 内弹道学概述• 一维模型假定参数ｐ、Ｗ、Ｔ和ρ只随时间ｔ变化，二维模型假定这 些参数随两个坐标的变化而变化，三维模型假定这些参数随空间的３ 个坐标变化。
枪炮膛内射击现象和基本方程
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设ｆB、α B 、ω B 和ｐB 分别代表点火药的火药力、余容、药量和
压力。
p
pb 1
fb (
1
)
p
p
这就是计算点火药气体压力在内的火药气体压力表达式。
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影响压力损失的因素主要来自两个方面：一是由热散失所造成的压力
•
r
de
f (p)
dt
在正常试验条件下，实测的燃速与压力的关系如图
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返回
在选择适当的函数形式表示该变化规律时，由于低压时的实验数据有 明显的散布，因此对于压力较高的实验点，通常采用两种函数形式， 都有较好的拟合性能。一种是二项式
•
r u0 u1p
另一种则是指数函数，即 •
r u1pn
式中的ｕ０、ｕ１等由实验确定的常数称为燃速常数，指数式中的n 则称为燃速指数。 它们都是与火药性质和药温有关的常量。
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一般情况下，其运动速度与燃气的运动速度不相等，所以药粒表面有 燃气流相对于它运动，而沿药粒表面的气流具有增加热传导的作用， 药粒从燃气流中获得的热量多，则其燃速会加大，使得火药的燃速随 气流速度增加而增加，这就是所谓侵蚀燃烧现象。
这种冲击波形成后对弹丸的运动将产生一种阻力称之为弹前空气柱冲击波阻形成后对弹丸的运动将产生一种阻力称之为弹前空气柱冲击波阻力如图如图根据冲击波前后的质量动量和能量守衡可以得到冲击波速度根据冲击波前后的质量动量和能量守衡可以得到冲击波速度上一页下一页返回弹前冲击波返回五平均压力表示的弹丸运动方程五平均压力表示的弹丸运动方程所谓平均压力就是指膛内压力分布的积分平均值即所谓平均压力就是指膛内压力分布的积分平均值即以平均压力表示的弹丸运动方程以平均压力表示的弹丸运动方程dtdv上一页下一页返回六次要功和次要功计算系数六次要功和次要功计算系数11弹丸旋转运动功的计算弹丸旋转运动功的计算22弹丸沿膛线运动的摩擦功弹丸沿膛线运动的摩擦功火药气体的运动功火药气体的运动功44后坐部分的运动功后坐部分的运动功次要功计算系数的理论公式和经验公式次要功计算系数的理论公式和经验公式66次要功计算系数次要功计算系数11的计算和物理意义的计算和物理意义上一页下一页返回上式表明1是一个仅包含弹丸旋转运动功及摩擦功的系数在等齐膛线条件下阻力虽然是一个变量但它与弹底压力成正比因此1也是一个变量但由于缠角变化范围不大1变化范围也是不大的可以当作常量处理
陈茂林-火箭发动机设计基础-发动机原理-第6讲
§ 4.1
燃烧室热力计算理论基础
表示为
四、假定化学式 1、计算 1kg 组元的假定化学式 （1）已知组元的分子式，计 算 1kg 该组元的假定化学式
等为 1kg 该组元中各元素的原子摩 尔数
C , H , O , N
CC H H OO N N
CC H H OO N N
mC , mH , mO , mN 等为各元
素的摩尔质量
§ 4.1
燃烧室热力计算理论基础
四、假定化学式 例题 4.2
§ 4.2
燃烧室热力计算的控制方程组
燃烧室燃烧过程的基本描述
是一个定压燃烧过程，为计算方便，取1kg的燃烧产物为研究对象。 燃烧产物的特点：
（1）M种元素
（2）N种组分
NM
（3）给定压强 Pc 和温度 T 下，系统处于化学平衡状态
根据道尔顿 Pn j Pj 分压定律 n
§ 4.2
燃烧室热力计算的控制方程组
二、化学平衡方程组：
3、影响化学平衡的主要因素----- （a）温度
温度对化学平衡的影响，与反应是吸热的还是放热的有关。
CO2
吸热
放热
1 CO O2 283.043 kJ / mol 2
T ，则正向反应加剧，使反应的吸热增 对于正向的吸热反应， 多、放热减少，从而使系统温度降低，以削弱原系统温度升高的影响。 T ，则反向放热反应加剧，使反应的放热增多，从而使 反之， 系统温度升高，以削弱原系统温度降低的影响。
含有氢元素 的组分： H 2O、H 2、OH、H、HCl
N H 2nH2O 2nH2 nOH nH nHCl
n 为1kg产物中各
组分的摩尔数 （mol/kg)
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：装药质量； q：弹丸质量；
：次要功计算系数；
1
3q
1：为仅计弹丸摩擦和旋转的次要功系数；
p：火药气体平均压力；
Pg：弹丸出炮口瞬间的炮膛合力；
χ ：炮口制退器的冲量特征量；
(q )
1T (q 0.5)
( 0.5)
：火药气体作用系数；
3
k 1 k
as a0
3
Ap
K K1
2
s2
K2
2
A3fj 2
min
s2
主流液压阻力
支流液压阻力
复进时期
复进位移： s
真空消失点：
dT 2 DT 2 d p2
真空消失前
0
K 22
2
Afj Afj a f a02
af 2
2
K 22 K 42
s2
思考：为什么有负号？
真空消失后
复进节制器流液孔面积
2
2
0
K22
2
Afj Afj a f
a f a02
K22 K42
2
s2
K12
2
Aof Aof
as a01
as
3 火炮发射载荷建模
炮膛合力（火药气体作用力） 驻退机力 复进机力 平衡机力 高低机力 方向机力 土壤对火炮的作用力
3.1 炮膛合力
pt pd
pt
Ppt
p
O
1
pt
21q
p
1
31q
膛底压力
pd
l l
pd
1
p
弹底压力
Axis
1
1
1 2
q
Sp
(1)
1
3q
计算相关参数：
(2) tg time(N p ), pg pp(N p )
(3)
g
Slg
,
cg
kpg g
3
(4)
k
1 k
k
2 2 1
cg v0
(5) (q ) 1T (q 0.5) ( 0.5)
Ez （横向）
z4
在后坐部分动坐标系中：
作用点：rPpt
rC4
x e(4) CPpt 1
Eye(24)
Eze3(4)
炮膛合力：
Ppt
Ppt
e(4) 1
y4
Ey
C Ez x4
计算步骤
读入已知数据 S,lg ,, q, g,1, k,T , pp(N p ), time(N p )
n：多方指数，=1.3~1.4
总结： 复进机力是后坐（复进）位移的函数，即 Pfj Pfj (s)
作用点及方向： 后坐部分：复进杆中心线与炮尾安装面的交点，向前 摇架部分：复进杆中心线与摇架安装面的交点，向后
3.3 驻退机液压阻力
p2
p1
p3
V
后坐时期 流液孔面积
0
K1
2
A0
k
2 2 1
cg v0
k ：绝热指数； k 1.2 ~ 1.3
火药气体音速；
cg
kpg
g
火药气体密度；
g
Slg
pg：弹丸出炮口瞬间的火药气体平均压力
总结： 炮膛合力是时间的函数，即 Ppt Ppt (t)
作用点：炮膛轴线与闩体镜面的交点
假设后坐部分质心偏心为
Ppt
Ey （高低方向）
某榴弹炮全装药、常温、底凹弹平均膛压曲线
Force(N)
2800000 2400000 2000000 1600000
1200000 800000
400000
0 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05
Time (Se c)
某榴弹炮全装药、常温、底凹弹炮膛合力曲线
(6)
Pg
1
1
1 2
q
Spg
(7) b ( 0.5)v0 Pg
(8)
tk
tg
b ln pg 180000
t tg
t tk
调入时间t
利用插值函数FCN(pp,time,t,p)获得p
Ppt
1
1
1 2
q
Sp
tg t tk
t tg
Ppt Pge b
Ppt 0
Pressure(Kg/cm2)
2700 2400 2100 1800 1500 1200
900 600 300
0 0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.01
Time (Se c)
K12 K41
2
s2
A0 ：后坐时活塞工作面积
A0
4
DT2 dT2
Afj
：复进节制腔面积
Afj
4
d12
As ：节制杆面积
As
4
d
2 s
as ：流液孔面积 as Ap As
Ap
：节制环面积
Ap
4
d
2 p
Aof ：复进时活塞工作面积
A0 4
DT2
t tg
Ppt
Pg
e
t
tg b
tg t tk
0
t tk
b ( 0.5)v0
Pg
Pg
1
1
1 2
q
Spg
tg：弹丸飞离炮口时间； S：炮膛断面积；
tk：后效期结束时刻；
tk
tg
tg
b ln pg 180000
d
2 p
min ：支路最小流通面积
K , K1, K2 后坐时液压阻力系数 K12 , K22 复进时液压阻力系数
总结：
驻退机力是后坐（复进）位移、速度的函数，即 0 0 (s, s)
思考：驻退机力为什么与后坐（复进）位移有关？
作用点及方向： 后坐部分：驻退杆中心线与炮尾安装面的交点，后坐时向前， 复进时向后。 摇架部分：驻退杆中心线与摇架安装面的交点，后坐时向后， 复进时向前。
计算步骤
读入已知数据 DT , dT , d p , d1, min , , K1, K2 , K12 , K22 , K , dds (Ns ), ss(Ns )
hhf (N f ), sf (N f ), nh , bh , a02 , a0
3.2 液气压式复进机力
气体
液体
p f 0V0n
pfV n
pf
p
f
0
V0 V
n
pf
0
Af l0 Af lபைடு நூலகம் Af
s
n
pf
0
l0 l0
s
n
n
Pf
Af
p
f
0
l0
l0
s
Af：复进机活塞工作面积 pf0：复进机气体初压 l0：复进机容积相当长度