內彈道學

內彈道學作為一個獨立學科的形成，應追溯到1740年英國數學家.軍事工程師魯賓斯(RobinsB)利用彈道擺測得彈丸初速的歷史時期。以初速為分界將整個彈道段分成膛內彈道學和膛外彈道學。內彈道學的發展史不僅與數理基礎科學和技術科學的發展密切相連，而且也與槍炮及其火藥的發展密切相關。在武器彈藥系統不斷完善的過程中也逐漸地形成了內彈道學的理論體系。

早在18世紀末(約1793年)，法國的數學家和力學家拉格朗日(LagrangeJL)用流體力學的觀點研究膛內射擊現象，並提出了彈後空間燃氣質量均勻分佈的拉格朗日假設，系統地研究了彈後空間壓力分佈和平均壓力、膛底壓力及彈底壓力之間的關係問題。這些研究工作為經典內彈道學的發展奠定了基礎。1864 年，法國科學家雷薩爾(Resal H)應用熱力學第-定律建立了內彈道能量方程。1868- 1875 年，英國物理學家諾貝爾( NobleA)和化學家阿貝爾(Abel F)應用密閉爆發器的試驗.確定火藥燃氣狀態方程。到19世紀末，皮奧伯特(Piobert)等人總結前人研究黑火藥的成果及無煙火藥的平行層燃燒現象，提出了幾何燃燒定律的假設，從而建立起表示燃氣生成規律的形狀函數和以實驗方法確定的燃速方程。至此，應用這些理論建立起比較完善的經典內彈道學理論體系。在這一時期，相繼出現了一些內彈道學論文和專著。1901 年，俄國的內彈道學家別令克(bpHHK A φ)寫成了當時最完整的內彈道學教程，並被美、德等國譯出。1903 年，特拉滋多夫(lpo3.1OB H φ)在《火炮雜誌》上發表了《內彈道學基本問題的精確解法》的學術論文。1906年，法國彈道學家夏朋裏(Charbonnier)發表了包括《內彈道方程》和《數值解法)的內彈道學論著。而後蘇歌脱(Sugot)對夏朋裏所給出內彈道方程作了某些改進，並以《夏朋裏一蘇哥脱內彈道學》發表在1913年法國《炮兵雜誌》上。1926 年，德國彈道學家克朗茨(Cranz)也出版了《內彈道學》一書。在1911- 1934年，格拉維( Tpane H I)完成包括《火藥燃燒動力學》和《火藥燃燒靜力學》等四卷內彈道學專著，堪稱內彈道學百科全書。

到20世紀中葉，經典內彈道學的發展已經進人到相當成熟的時期，出版了一系列有影響的學術專著。其中包括:1950年英國的化學家康納(Corner J)完成的《火炮內彈道學》，1951年亨特(Hunt F R W)完成的《內彈道學)以及1962年蘇聯的內彈道學家謝列伯梁可夫(CepeOpnKoB M E)完成的《身管武器和火藥火箭內彈道學》。這些專著涉及經典內彈道學中的各個研究領域，內容系統而詳盡.特別是謝列伯梁可夫的《內彈道學》是一本極好的教科書。中國的內彈道學專家鮑廷鈺教授於1957年出版了《特種武器內彈道學》，系統地闡述了無後坐炮、迫擊炮和固體火箭的內彈道理論。1957 年，蘇聯學者貝切赫欽(berexTHH C A)出版了《內彈道氣體動力學原理》- -書.該書系統地討論了膛內氣流問題.除對拉格朗日問題作了深人的研究外，還在該書中首次提出膛內兩相流問題，並建立起內彈道均相流數學模型，對現代內彈道學理論進行了開創性的研究。

1979年，鮑廷鈺教授提出了內彈道勢平衡理論，並應用此理論研究膛內實驗燃燒規律，建立了相應的內彈道解法.形成了一個有別於以幾何燃燒定律為基礎的內彈道學理論。《內彈道勢平衡理論及其應用》一書在1987 年和1988年分別用中文和英文形式出版。為了適應教學的需要，1978年和1984年，華東工程學院103教研室編寫出版了《內彈道學》和(內彈道實驗原理》。1995 年，鮑廷鈺、邱文堅編寫出版了《內彈道學》。1997年，官漢章.鄒瑞榮編寫出版了《實驗內彈道學》。這些教科書是在長期教學經驗的積累和內彈道科研成果的基礎上完成的，在一定程度上反映了當時中國內彈道教學和理論的水平。

到20世紀70年代以後.現代內彈道學開始興起。具有代表性的著作如:1973年，美國學者郭冠雲(KuoKY)等發表的《在密閉條件下多孔火藥裝藥牀中火焰陣面的傳播)學術論文;1979年，由克里爾(Krier H)和薩默菲爾德(Summerfield M)主編的《火炮內彈道學》，以及1979年高夫(Gough P S)和習瓦斯(Zwarts F T)發表的《非均勻兩相反應流模擬》等學術論文和專著。中國的內彈道工作者在20世紀八九十年代也相繼出版了一些有影響的教材和學術專著，如:1983年，金志明、袁亞雄編寫出版的《內彈道氣動力原理》;1990年，金志明、袁亞雄、宋明編寫出版的《現代內彈道學》;1990年和1994年，由周彥煌.王升晨編寫出版的《實用兩相流內彈道學》和(膛內多相燃燒理論及應用》;2001年，金志明、翁春生編寫出版的《火炮裝藥設計安全學);2003年金志明、翁春生編寫出版的《高等內彈道學)等。這些著作反映了中國在現代內彈道學方面教學和理論的水平。 ^[2] 

槍炮和火箭大都以火藥為能源。其工作過程也都是從點火開始，通過機械擊發、電熱或其他方式將點火藥點燃，產生的高温燃氣及灼熱粒子，再點燃發射裝藥。着火後的裝藥在點火過程迅速擴展到整個裝藥表面的同時，沿着藥粒厚度向內層燃燒，不斷生成高温的燃氣。槍炮和火箭就是通過這種燃氣在有限容積中所形成的高壓，產生了相應不同的發射現象。前者是高壓燃氣直接膨脹做功，推動彈丸沿身管向前加速運動；同時，火藥燃氣本身以及部分藥粒也隨着向前運動。後者則是通過在噴管中的膨脹作用產生高速氣流，利用氣流的反作用力推動火箭運動。這兩種不同的發射方式標誌了兩種典型武器，而與其相應的內彈道學也就劃分為兩種不同的研究範疇，即身管武器內彈道學(或槍炮內彈道學)和火箭內彈道學。

槍炮膛內的射擊現象包含多種運動形式。除了在火藥燃氣壓力作用下的彈丸、燃氣及藥粒沿身管的運動，標誌着身管武器內彈道基本特徵之外，同時還有一些與武器結構有關的其他運動形式。例如，線膛武器的彈丸旋轉運動，密閉類型身管武器的身管後坐運動等。在半密閉類型身管武器中，無坐力炮雖不存在炮身的後坐運動，但有火藥燃氣從炮尾噴管流出的運動；而迫擊炮則有身管的後坐運動，同時還有燃氣從間隙流出的現象。因而，身管武器內彈道學又常劃分為各種類型武器的內彈道學，如一般槍炮(槍、加農炮、榴彈炮等)內彈道學、無坐力炮內彈道學、迫擊炮內彈道學等。在固體火箭發動機內，除了燃燒室存在複雜的燃氣流動外，還有燃燒產物在噴管中膨脹與高速流出的現象，以致發動機內的質量不斷減少。因此，按熱力學過程的性質來區分，一般槍炮屬於密閉的變質量變容系統，無坐力炮與迫擊炮屬於半密閉的變質量變容系統，而火箭則屬於半密閉的變質量定容系統。 ^[1] 

內彈道學所研究的對象，歸納起來主要有以下4個方面：

①點火藥和火藥的物理化學性質，火藥點火與燃燒過程的機理及規律。

②槍炮膛內與固體火箭發動機內的火藥燃氣與固體藥粒之間的兩相流動現象。

③有關彈帶嵌進膛線的受力變形現象，以及彈丸和槍炮自身的運動現象等。

④有關能量轉換及輸運的熱力學和火藥燃氣與膛壁或發動機之間的熱傳導現象等。這些研究對象表明，內彈道學是一門涉及化學熱力學、傳熱學、燃燒理論、氣體動力學及固體力學等學科領域的綜合性應用學科。 ^[1] 

內彈道學研究的根本目的，是揭示發射過程中的各種規律及其影響因素，為改進現有武器和發展新武器提供依據。其主要研究內容，是根據射擊武器的特點及其主要現象的物理實質，建立描述過程變化的質量方程、動量方程、能量方程以及狀態方程等，組成內彈道方程組。方程組的解即可直接體現出發射系統所發生的各種變化規律，解決內彈道計算和內彈道設計問題。前者是指從已知身管武器系統的有關數據，計算出相應的燃氣壓力及彈丸速度隨彈丸運動的行程及時間變化的規律，或從已知火箭武器系統的有關數據計算出發動機內的燃氣壓力及全彈速度隨時間變化的規律；後者則是根據戰術要求所給定的口徑、彈丸質量和初速等主要指標，確定出合理的武器系統設計方案。這兩種計算都可以直接通過對方程組所編制的計算機程序來完成。

內彈道方程組所解出的燃氣壓力p隨時間t的變化曲線，是內彈道過程特徵的標誌。因此，身管武器和火箭武器有各自不同的典型曲線。圖1的p梩曲線所標誌的身管武器熱力學過程特徵表明，其壓力變化規律決定於火藥燃氣生成速率和彈後空間增加速率，前者增加使壓力增長，而後者增加則使壓力下降。當兩種效應達到瞬時平衡時，即給出最大壓力pm。但是，p梩曲線雖然有升降的變化，而彈丸則因一直受壓力的作用不斷加速，從而給出如圖所示的v梩曲線。彈丸出膛口瞬間的速度vg稱為膛口速度，通常可視為初速，最大壓力和初速是身管武器的兩個主要彈道標誌量。圖2的p梩曲線同圖1有所不同，代替彈後空間變化的因素，是火藥燃氣經過噴管的流出速率，而且在相當一段時間內可以使壓力保持接近不變的相對平衡狀態，如圖中壓力變化平緩的pc，稱為平衡壓力，它是反映火箭彈道特徵和火箭發動機性能的主要標誌量。

壓力曲線不僅直接反映出一定裝藥條件下的壓力變化規律，而且也間接地反映了火藥燃燒規律和彈丸速度的變化規律。所以，它體現了內彈道的內在規律對武器的性能有很大影響。改變壓力變化曲線，主要依靠裝藥結構的設計。因此，為了保證武器的彈道性能，必須研究裝藥結構對壓力變化的影響，從而使得發射裝藥設計成為內彈道設計的一個主要組成部分。

根據身管武器的內彈道特點，整個壓力變化規律是否優化，主要是通過兩個彈道指標來評價，即發射藥能量利用效率和炮膛工作容積(彈丸行程與炮膛截面之積)利用係數。前者是指彈丸飛離膛口瞬間，火藥燃氣所完成的總功與火藥燃氣總能量的比值，通常稱為彈道效率。後者則是指彈丸飛離膛口瞬間，火藥燃氣所完成的總功與炮膛工作容積和最大膛壓的乘積之間的比值，它是衡量壓力曲線變化平緩程度的相對標準，故又稱為示壓效率。在身管武器中，彈道效率一般約為20%～30%，示壓效率則在0.5～0.75之間。發射裝藥設計的方法就是以這兩種效率為依據，通過發射藥的種類、性質、形狀和尺寸，以及裝藥結構等的選擇來調整壓力曲線，以期達到各項指標要求。 ^[1]