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1、第2章 火药燃烧的规律性,2.1 火药的基本知识 2.2 火药燃气状态方程 2.3 火药燃烧与气体生成规律 2.4 火药的形状函数 2.5 燃烧速度定律,2.1 火药的基本知识,火药是指在无外界供氧条件下，可由外界能量引燃，自身进行迅速而有规律的燃烧，同时生成大量热和气体的物质。它具有高速、高压、高温反应特征和瞬间一次效应的特点。 组成：可燃剂、氧化剂、粘结剂和(或)其它附加物(如增塑剂、安定剂、燃烧催化剂等),火药在弹药中的作用： 1）提供武器系统发射的能源。 火药用于枪炮发射弹丸装药时称为发射药； 火药用于火箭、导弹发动机装药时称为固体推进剂。 2）战斗部进行毁伤的能源。 用于战斗部装药以
2、爆炸进行毁伤的含能物质 ，通常称为炸药。 3）与武器的质量密切相关。 火药必须具备一定的性能才能满足武器使用的要求。,2.1.1 火药的分类,1.按火药用途分类： 火药可分为枪炮发射药，火箭固体推进剂及其它用途的火药。 2.按火药组成分类： 火药可分为均质火药和异质火药两类。,（1）异质火药又称混合火药或复合火药，混合火药是以某种氧化剂和某种还原剂为主要成分，并配合其它成分，经过机械混合和压制成形等过程而制成的。黑火药就是一种典型的混合火药，由硝石75%、木炭15%和硫磺10三种成分组成。能量较小 ，着火速度快 ，易于起引燃作用，广泛地作为点火药使用 。 （2）均质火药又称溶塑火药，溶塑火药的
3、基本成分是硝化纤维素。一般都采用棉纤维为原料，习惯上称之为硝化棉。硝化棉溶解于某些溶剂后，可形成可塑体，经一系列的加工过程，制成溶塑火药。由于所用的溶剂不同，就可制成不同类型的溶塑火药。 1）单基火药硝化棉 2）双基火药硝化棉+硝化甘油 3）三基火药双基+硝基胍（冷火药）,2.1.2 火药的组成,2.1.3 火药的形状、尺寸,火药燃烧时气体生成的速度与火药的表面面积有关，而在燃烧过程中火药的表面积的变化决定于火药的厚度和形状。 火药形状：常见的有管状、带状、片状、棍状、球状和圆环状等简单形状，以及七孔、花边形七孔、花边形十四孔等复杂形状。,通常用以下符号来表示火药的尺寸： 2e1，表示火药的厚
4、度，或称肉厚，在管状或多孔粒状中称为弧厚， 2b，表示火药的宽度； 2c，表示火药的长度； D0和d0各表示管状和多孔粒状药的外径和孔径。,典型火药形状图,2.1.4 火药的能量特征量,火药的性质直接影响到武器的弹道性能，须引入描述火药性质的物理量火药的特征量，其中描述能量的特征量即为能量特征量。 火药所以能在极短时间内完成大量的功，其原因是它在燃烧时能释放出大量的气体和热量，而释放出的热量又以增高气体温度的形式反映出来。温度越高，气体的做功能力也越大。 热量、生成气体多少、气体温度就是体现火药做功能力大小的能量特征量，即爆热、比容、爆温。,(1)爆热QW 1kg火药在真空定容情况下燃烧并将其
5、气体冷却到18时所放出的热量，称为火药的爆热。 单位: kCalkg 爆热越大，火药的潜能越大，火药做功的能力也越大。,(2)火药气体的比容w 燃烧1kg火药所产生的气体，在压力为1个大气压和温度为0而水保持为汽态时所占有的体积，称为火药气体的比容。 单位：dm3kg 气体比容越大，做功的能力越大。,(3)爆温T1（也称燃烧温度） 火药在燃烧瞬间没有任何能量消耗的情况下，火药气体具有的温度。 单位：以绝对温标K表示。 火药的燃烧温度越高，做功的能力就越大。 此外，火药密度也是一重要特征量，在火药体积相同的情况下，火药密度越大，火药重量越大，所以总的能量也越大。,2.2 火药燃气状态方程,描述弹
6、丸在膛内的运动过程，需要了解火药燃烧后产生的火药燃气的压力、气体体积、气体密度以及燃烧温度等参数之间的关系，此即火药燃气状态方程。 理想气体是指气体分子没有体积而且气体分子间不存在相互作用力的一类气体，其单位质量理想气体状态方程为 式中 W气体体积，R气体常数，T温度，p压力。,2.2.1 高温高压火药气体状态方程 在炮膛内，火药气体具有高温高压的性质。显然，它的压力、温度和体积之间的函数关系是不能用理想气体状态方程来表达的，须用真实气体状态方程来表达。,通常，用范德瓦尔方程表示： 式中 a反映分子间吸引力的一个物理量； 考虑气体分子体积的一个修正量，在内弹道学中称为余容； R与气体组分有关的
7、气体常数，表示1kg火药气体在一个大气压下，温度升高1对外膨胀所做的功； w气体的比容。,火药气体的温度很高，即使气体的密度很大，分子间引力的影响相对来说是很小的，故关于分子吸引力影响的修正项a可忽略不计。但在压力很高的情况下，必须考虑余容的修正。 对于高温高压的火药气体，前式可简化成下述诺贝尔-阿贝尔状态方程：,2.2.2 定容状态下燃气状态方程,内弹道学中，应用诺贝尔-阿贝尔方程和密闭爆发器来建立定容燃烧下火药气体状态方程。 在定容情况下，火药气体没有做功，如果忽略热散失，此时燃烧温度T就是爆温T1。对于一定性质的火药来说，T1是一个常量。即有, 确定比容w： 设密闭爆发器的容积为W0，其
8、中装有密度为的火药 kg，若在某一瞬间火药燃去的质量为yr，则火药气体的比容w应为 代表火药已燃百分比。显然 推导，得,称为药室自由容积，表示气体分子可以自由运动的空间，随火药燃烧的进行而不断减小。 因此，压力的增长不是和成正比，而是增长地更快一些。 在內弹道学中习惯采用如下物理量： 火药力的物理意义：表示1kg火药燃烧后的气体生成物，在一个大气压力下，当温度由0升高到T1时膨胀所做的功。即表示单位质量火药作功的能力。单位kg.dm/kg 内弹道学称火药力f、余容为弹道特征量。,装填密度,火药力,则有 即为火药定容燃烧情况下的气体状态方程。 当火药燃烧结束时， 密闭爆发器中压力达到最大值 ，即
9、,诺贝尔公式,火药力和余容的确定 诺贝尔公式的实用意义： （1）在一定火药条件下，从已知的装填密度算出最大压力； （2）从给定的最大压力来估算装填密度； （3）可应用它通过实验的方法来确定火药的弹道特征量火药力和余容。 实验表明，当装填密度不很高时，火药气体的余容与装填密度无关。因此，可以用两个不同的装填密度进行两次密闭爆发器试验，来获得火药力和余容。,诺贝尔公式,由上式有 若分别以1、2进行两次实验测量最大压力 ，则有 则可解得,为了减小测试的误差，在选择1,2时，应该注意低装填密度1不能过低，因为装填密度越低，相对热损失就越大，由此造成的误差就越大。而高装填密度2也不能过高，因为装填密度过
10、大，将使密闭爆发器的强度不能满足要求。 事实上，无论取多大的装填密度进行试验，热损失总是存在的。因此，用这种方法测定火药力和余容时，得到的结果是余容偏高而火药力f偏低。,2.2.3 变容状态下燃气状态方程,在射击过程中，弹丸向前运动，弹后空间不断增加，因此膛内压力是弹后空间容积的函数。 以定容状态方程为基础来建立射击情况下的变容状态方程。 设火炮的炮膛横断面面积为S，在药室容积W0中装有密度为的火药kg。假定当火药燃烧到时，具有质量为m的弹丸向前运动的距离为l，弹后空间增加的体积为Sl。此时弹丸后部的自由容积为,与此同时，火药气体膨胀做功，温度不断下降，在变容情况下，温度T是变量。则射击情况下，变容火药气体状态方程为 为使用方便，以弹丸行程l为变量来表示压力。令 则射击情况下的变容火药气体状态方程为,药室容积缩径长，,药室自由容积缩径长,
