装药设计2

第二章火炮火药装药设计的理论基础火炮装药设计主要工作：（1）装药的弹道设计－解内弹道的反向问题①根据给定的v0、pm等弹道指标，确定火药及药型，②求解mp、2e1、ηk、Ik等（2）装药的结构设计①确定装药在药筒或药室中的配置方式②设计点火系统和选择其它装药元件及其放置位置2.1火炮内弹道模型概述模型：对事物本质的描述，即由一些物理过程来模拟实际发生的过程最早提出的是经验模型：pm＝p（y1、y2、y3…）v0＝v（y1、y2、y3…）关系较简单、结果较粗糙，目前仍有应用建立模型的过程：（1）建立物理模型：提出一些假设，使实际过程简化（2）建立数学模型：在物理模型基础上建立（3）解数学模型（4）实验符合（验证），修正模型建立的模型一般有两种情况：①适用范围小，但较精确②适用范围大，但不是很精确2.1.1常规内弹道模型建立在任一瞬间弹后空间的气流及热力学参量取平均值的基础上一、基本假设（1）火药的燃烧及弹丸运动都是在平均压力作用下进行（2）火药燃烧服从几何燃烧定律（常用正比定律）（3）火药燃气成分保持不变（4）采用系数φ考虑各种次要功（5）忽略膛壁的热损失（6）不计及挤进过程，前期用挤进压力ps来描述二、基本方程常规模型一般包含有五个方程（1）能量方程22)(mvfmllSpplΨ：药室的自由空间换算])1(1[0ll（2）弹丸运动方程vmvlSpdd（3）形状函数方程2ZZ（4）燃烧速率方程pute1d/d（5）vtld/d5个方程，六个未知数，只要确定某一个，即可解出其它解方程时，提出分为3步：（1）弹丸运动前（2）弹丸开始运动至火药燃烧结束（3）火药燃烧结束至弹丸出炮口实验表明：在v0较小（915m/s）、mp/m较小（1）时，常规模型与实际符合较好三、弹道设计的基本方程由内弹道方程组可得：20220)1(21)11(1ZBΔlΔlvvgkjmfmISBpk22Z0为弹丸运动开始瞬间火药燃去的相对厚度mfmvpj2gppjfmmvmfmvvv2020220212γg：火炮的有效功率由于20)1(21)11(1ZBΔlΔlgkg得：1201)1(21)1()1)(1(ZBΔlΔlkgg当火药性质、形状、挤进压力一定时：lk及B都是Δ及pm的函数，Z0是Δ的函数故上式右边仅是pm及Δ的函数，即：或：),()1(21)1(120ΔpFZBΔlmk代入上式，得：1)1(),(/1ΔΔpFlgmg),,(gmgΔpflpgfmmv2021由于即：显然φγg是mp/m及v0的函数，即：),(0vmmfpg在v0、pm给定的情况下，可知lg仅仅是Δ及mp/m的函数表示了在给定v0、最大压力pm的情况下，构造诸元与装填诸元之间的函数关系，称为弹道设计基本方程)/,(mmΔflpg2.1.2内弹道流体力学模型（多相流动）★火炮装填结构越来越复杂、弹丸初速不断增加★常规内弹道模型无法解释诸如压力反常、胀膛、炸膛等现象★需要建立新的数学物理模型★促使内弹道流体力学模型的建立和发展★内弹道流体力学模型：求解在整个射击过程中膛底与弹底之间的压力、密度以及气体、固体速度的分布。用来研究诸如扰动波动发展的这类动态过程★已发展了一维、两维、三维等多种内弹道流体力学模型★成功地解释了一些内弹道现象，如：压力波、火药挤压破碎★并不是越复杂模型提供的结果越好，往往相反★复杂模型多用于理论研究★随着模型的完善，将发挥越来越重要的作用2.2火炮装药的点火和燃烧过程2.1.1装药的点火过程分为：点火剂的引发、传火药的燃烧、传火药的燃烧产物沿装药表面的传播、装药单体表面的加热和点燃等四个阶段一、点火剂的引发在外加冲量（机械、电）的作用下，装药点火具中的点火药剂着火燃烧放出气体、固体和热量的过程5KClO3+Sb2S3+3Hg(ONC)2=3Hg+5KCl+Sb2O3+3N2+6CO2+3SO2炮用火帽药剂：0.02~0.05g，产热约40J。可点燃10g的火药装药1g火帽药剂可放出186ml气体、0.23ml固体粒子、1400J热量二、传火药的燃烧当一个火帽不能使装药正常点燃时，就需要用传火药或辅助点火药，一般用黑火药或多孔硝化棉黑药组成：KNO375％C15%S10%燃烧反应可分为两步：第一步为迅速的氧化过程；第二步为较缓慢的还原过程氧化：10KNO3+8C+3S→2K2CO3+3K2SO4+6CO2+5N2＋Q还原：4K2CO3+7S→K2SO4+3K2S2+4CO2－Q4K2SO4+7C→2K2CO3十2K2S2+5CO2－Q在火炮装药条件下，第二步反应是不完全的1kg黑火药大体生成：固体粒子0.522kg，气体：225LQV:3100kJTV：2200~2500ºCfV：245~294kJ/kg黑火药在300~10000kPa范围的燃速方程：p0为大气压力017.0614.00)/(72.1ppu三、传火药燃烧产物在装药表面的传播传火药燃烧生成的气体和固体粒子以很大的速度沿装药表面运动例：100kPa（1atm）下，黑火药燃烧气体沿药管传播的速度可达1~3m/s。压力增高，速度提高得更快在19cm长的开孔管中，黑火药管中火焰传播速率约为20~30m/s，燃烧均匀。如将孔堵上，压力会增高，火焰传播速率可达100m/s传火速度和条件有关，如有药包布，传火速度下降阻力大（如装药密度大），传火速度下降四、传火药燃烧生成物在装药表面的传播过程：加热→反应→升温→发火温度（点燃）火药中热流动控制方程22xTtT火药T00xyTg气流Q（0t∞,-∞≤x0）α称为热扩散系数初始条件：t＝0，T＝T0边界条件：x→∞，T＝T0条件：①t≤0时药温为T0且均匀②t＝0时开始出现平衡热气体流动（Tg)③忽略点火之前的反应和相变c（1）在交界处由能量守恒得：)(TThxTg（0t∞,x＝0）h为热交换系数上2方程构成流动气体点火的数学模型当Tg为常数时，解方程（拉普拉斯变换），可得：dyyZththTTTTZg)exp(2)(exfe)]exp()erfe()[()0(22200上式表明：火药表面处温度随时间单调递增，只要TgTign，火药总能被点燃（2）（3）（3）式中，令T（0）＝Tign，解得点火延迟时间2002)(4TTTThctgignign（4）由（4）式可看出：ρ、λ、c、Tign增加，h、Tg、T0减小，tign增加公式推导忽略了许多因素，只能作定性分析五、火药的燃烧★火药的燃烧是一个复杂的物理化学过程★燃烧过程与火药本身的组成和火药装药条件有密切的关系★重要的火药燃烧特性有u、n、燃速温度系数以及燃烧温度等★均质火药燃烧的最终产物不是瞬间一步生成的，而是从凝聚相到气相经过一系列中间化学变化才达到的★燃烧可分为四个区域：亚表面及表面反应区（Ⅰ）、嘶嘶区（Ⅱ）、暗区（Ⅲ）和火焰区（Ⅳ）★Ⅰ区放热量约占火药总放热量的10%。Ⅱ区放热量约占火药总放热量的40%，温度可达700~1000℃。Ⅲ区温度梯度极小，温度约在1500℃左右。Ⅳ区是燃烧的最终阶段，该区放热量约占火药总放热量的50%六、火焰沿火药单体表面的传播假定：①t=0时，火药粒表面（x＝0，y＝0）正在燃烧，即T＝Tign②火药以火焰传播速度u相对于坐标移动，以保持燃点在x＝0③在x位置处传给火药表面的能量流率为q（x）④热量在火药内只沿y方向传导«xT/yT/u火药内部的热平衡方程022xTcuyT初始条件：T=Tign（x=0及y=0）边界条件：0TTxyyx00，，表面处的能量守恒方程)(xqyT（y=0,0x∞）用分离变量法解出满足边界条件和初始条件的解xucyTTTTing2ee)(00α是分离参数（1）（2）（3）（3）式代入（2）式，得：xucingTTxq2e)()(0（4）Lxqqe0（5）改写为：)(00TTqign2ucL这儿：)()(/020202202TTcLqcTTLqcLuignign得：在x=0处，q0=h(Tg－T0)得：2002)(TTTTcLhuigng凡是能缩短tign的因素均可使u加快这和实验符合七、在装药中火焰从局部向全体传播（1）传火药燃烧产生的气体在整个装药传播时，其温度和压力是变化的，即：温度下降使传火能力下降（2）靠近点火药的装药先被点燃，被点燃火药产生的高温高压气体由局部向全体扩散，参与点火过程（3）在比较长的装药中，即使点火药的作用失去后，火药的燃烧仍能使点火继续进行（4）火药燃气使压力升高，促进了燃烧和点火的进行（5）点火和火焰传播具有明显的三维特性，且不稳定，难以处理总之，过程十分复杂，建立理论模型相当困难，但可以肯定，火焰传播不是瞬时完成的，先点燃的火药燃气参与了点火过程2.2.2装药点火燃烧过程与膛内压力波★压力波：膛底和弹底的压力差引起的压力波动和传递增长现象随着武器膛压的升高、装填密度的增大，压力波问题越来越突出★危害：①引起反常高压，造成膛（胀）炸等事故②使初速散布增大，影响射击精度③在压力波的作用下，发射药粒冲击弹底，引起弹丸炸药早炸④引起武器射击周期变化（时间会变化），这对速射武器带来影响所以，装药因消除或减小压力波一、压力波现象的物理实质(形成机理）（1）局部点火和火焰传播：导致压力波产生的根本原因局部点火→燃气流动→渗入药床→加热点燃火药→导致火焰传播→由于压力差的存在导致压力波●点火药的位置及其点火冲量对压力波的形成和发展起决定作用（2）在压力梯度的作用下，药粒向弹底运动，在弹底形成冲击和挤压，导致药粒破碎（燃面激增）、炸药爆炸（3）压力波在弹底和膛底间来回反射，其消长取决于装药和内膛结构二、影响压力波动特征的主要因素（1）点火激发能量的影响①过小，造成火药不完全燃烧（暗区结束），燃气中含有大量的NO、CO、H2等，聚集后可能发生爆炸性点火②过大或过分集中点火，引起点火和压力增长的不均匀性因此，适中的点火激发能量有利于降低压力波（2）点火方式（点引火条件）点火方式是对膛内压力波影响最显著的一个因素不均匀局部点火易产生大的压力波中心点火管、轴向均匀点火有利于降低压力波（2）初始气体生成速率的影响初始气体生成速率越高，局部压力波不易衰减，易形成压力波初始气体生成速率受火药初温、形状、膛压等影响①增面或钝感（包覆）火药初始气体生成速率低，不易产生压力波②高温易产生压力波（这是从初始气体生成速率角度看）③高压下，易产生压力波④压力指数小的火药易产生压力波（3）装填密度的影响大的装填密度易产生压力波（高压、透气性差）装填密度小，但装药集中，易产生压力波tZtd/dd/d（4）初始火药床对气流透气性的影响透气性，可使产生的局部压力波迅速通过火药床，减小压力波因此，管状、带状火药有利于压力波衰减（5）初始自由空间分布的影响初始自由空间的存在能造成装药床的运动和挤压，导致压力波①导致气体渗透性变差②导致药粒破碎，燃面激增，尤其是低温③弹底的自由空间导致药粒冲击弹底因此，因使装药在药室中均匀分布、保持点火初期装药的牢固性、降低药床运动的可能性有利于减小压力波（6）其它因素①可燃药筒由于可燃药筒（特别是抽滤式）可加重压力波（密度小，燃速快，增加初始气体生成速率）②火药长期储存对压力波的影响火药长期储存后，压力波增大（溶剂挥发、燃速变快）③火药强度强度差，易产生压力波三、预防压力波产生的措施（1）点火激发能量适中、迅速分散的点火（2）使用增面或钝感等火药（3）使装药在整个药床均匀分布（4）保持点火