大口径火炮内弹道参数的计算及仿真

程 林，霸书红，蒋大千，贾凯华，王树涛

(沈阳理工大学装备工程学院， 沈阳 110159)

大口径火炮内弹道参数的计算及仿真

程 林，霸书红，蒋大千，贾凯华，王树涛

(沈阳理工大学装备工程学院， 沈阳 110159)

利用单一装药经典内弹道数学模型，用MATLAB软件编写火炮内弹道程序，得到内弹道各特征量如弹丸速度、火药气体平均压力、火药气体温度随时间变化规律，并且对内弹道参数如次要功系数、火药力、余容进行了计算。仿真结果与实验结果基本吻合，验证了仿真结果的正确性。

内弹道；单一装药；特征量；仿真

内弹道模型计算是内弹道理论的核心，对火炮设计、改进以及出现问题的解决都有着重要的作用。传统的内弹道解法有经验法、解析法、表解法和图解法，这些方法虽然简单但局限性大[1]。随着计算机在弹道学中的应用，出现了数值解法，虽然是近似解，但计算精度能够满足实际需求。内弹道计算中涉及参数较多，要得到准确可靠的内弹道计算结果，就需要对内弹道参数进行计算。

基于Matlab软件构建单一装药内弹道仿真模型，编写利用四阶五级龙格-库塔方法计算求解.M文件[2]。计算结果验证了该方法应用于内弹道计算的可行性，计算结果与内弹道测试结果一致。

1 内弹道模型的建立

在经典内弹道学理论的基本假设下，单一装药的内弹道方程组为[3]：

(1)

其中

火炮发射时的气体温度变化情况可以根据内弹道方程求解，气体温度变化的方程为[4]：

(2)

式中：S、m、l、V0分别为炮管横截面积，弹丸质量，弹丸行程，药室容积；f为装药的火药力，ω为装药量，α、ρp、u1、n1、e1分别为火药气体余容、火药密度、火药燃速系数、火药燃速指数、火药弧厚；χ、λ、μ为火药形状特征量，θ为绝热指数；φ为次要功系数，ψ为装药燃烧百分比，Z为火药相对厚度，p为膛内平均圧力，v为弹丸速度，R为火药气体常数。

为了便于编程求解，引入相对变量，将所选用的方程组进行量纲为1的处理。

其中

2 内弹道仿真参数的计算

以某大口径加农炮为例，采用双芳3管状发射药。

2.1 次要功系数

(4)

K是与武器有关的常数[5]，其大口径加农炮经验数据为1.03。

2.2 火药力

对由C、H、O、N组成的火药，其单位质量元素组成为CaHbOcNd，火药的燃烧反应可表示为：

CaHbOcNd→xCO2+yCO+zH2O+uH2+vN2

火药比容、爆热、爆温、火药力的计算公式为：

W1=22.41n=22.41(a+b/2+d/2)=

22.41(x+y+z+u+v)

(5)

QV=xqCO2+yqCO+zqH2O-q生+

(x+y+z+u+v)RT0

(6)

(7)

(8)

采用基本法[6]计算双芳3火药的能量示性数，得出双芳3发射装药的实验式为C24.86H32.27O33.46N9..54，生成热为2 111.2 kJ/kg，计算结果如表2。

2.3 余容

余容是1 kg火药气体分子本身不可压缩的体积(m3/kg)。火药的余容为[7]:

(9)

式中，yi是火药中第i种组分的质量分数，双芳3发射装药组分的αi列于表3。

2.4 内弹道仿真参数

计算并查找某大口径加农炮的弹道解法原始参数[2]如表4。

表1 双芳3发射装药的组成

表2 双芳3发射装药的能量示性数

表3 双芳3发射装药组分的αi

表4 某大口径加农炮弹道解法原始参数

3 内弹道仿真结果

将上述数据代入程序，运行的数据仿真计算结果如表5，输出的内弹道性能曲线如图1～图3所示。由内弹道性能数据表和曲线可知，某大口径加农炮的挤进压力为30 MPa，发射药点火4.5 ms后达到最大膛压为224.7 MPa，11.2 ms后到达炮口，炮口弹丸初速为646.5 m/s，火药气体温度在发射后瞬间达到峰值(爆温)为2 598.3 K，之后随时间增长而逐渐下降。

表5 大口径加农炮内弹道性能仿真结果

图1 某大口径加农炮最大膛压仿真曲线

图2 某大口径加农炮炮口弹丸初速仿真曲线

图3 某大口径加农炮火药气体温度仿真曲线

4 试验验证

为了检验仿真结果的正确性，通过一些试验数据对计算结果进行验证，其中火炮弹丸初速实验值由线圈靶法测得(GJB 3196.31A—2005)，最大膛压实验值由铜柱法测得(GJB 3196.27A—2005 )，双芳3发射装药的爆温由密闭爆发器测得(GJB 770B—2005)，验证结果如表6。

表6 大口径加农炮弹道性能计算值与实验值对比

5 结论

与试验相比，编制的内弹道仿真程序计算结果准确，炮口弹丸初速、最大膛压和火药爆温相对误差均小于4%，仿真结果和实验吻合良好。

[1] 金志明.枪炮内弹道学[M].北京:北京理工大学出版社,2004:11-80.

[2] 田桂军.内膛烧蚀磨损及其对内弹道性能影响的研究[D].南京:南京理工大学,2003.

[3] 华东工学院801教研室.内弹道学[M].南京：华东工学院出版社,1986:109-110.

[4] 欧阳青.火炮身管烧蚀磨损与寿命问题研究[D].南京:南京理工大学,2013.

[5] 张小兵.枪炮内弹道学[M].北京:北京理工大学出版社,2014:68-73.

[6] 华东工学院101教研室.火药及装药设计[M].南京：华东工学院出版社,1986:10-28,107-108.

[7] 王泽山,何卫东,徐复铭.火炮发射装药设计原理与技术[M].北京:北京理工大学出版社,2014:15-16.

(责任编辑周江川)

InteriorBallisticParametersCalculationandSimulationofLargeCaliberGun

CHENG Lin，BA Shuhong， JIANG Daqian， JIA Kaihua， WANG Shutao

(School of Equipment Engineering, Shenyang Ligong University, Shengyang 110159, China)

By using a single charge classical interior ballistic mathematical model, the ballistic program of artillery was written with MATLAB software, and the result of the internal ballistic was obtained, such as the speed of the projectile, the average pressure of the gunpowder gas and the change of the temperature of the gunpowder gas with time. The internal ballistic parameters such as the secondary work coefficient, the power of gunpowder work and the covolume are calculated. The results show that the simulation results are in good agreement with the experiment results, and the correctness of the simulation results is verified.

interior ballistic； single charge； characteristic parameters； simulation

2017-05-25；

2017-07-10

程林(1992—)，男，硕士研究生，主要从事含能材料的制备技术研究。

装备理论与装备技术

10.11809/scbgxb2017.11.015

本文引用格式：程林，霸书红，蒋大千，等.大口径火炮内弹道参数的计算及仿真[J].兵器装备工程学报，2017(11):69-72.

formatCHENG Lin，BA Shuhong，JIANG Daqian，et al.Interior Ballistic Parameters Calculation and Simulation of Large Caliber Gun[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(11):69-72.

TJ012

A

2096-2304(2017)11-0069-04