1.2.2 身管武器发射特点

以火炮发射为例，说明身管武器的发射特点。

在燃气压力推动弹丸加速运动的同时，燃气压力也沿弹丸运动相反方向作用在半封闭的身管（称为炮身）上，此合力称为炮膛合力（见图1.3中Fpt）。炮膛合力最终通过发射装置的架体（炮架）传到地基上，称炮身作用于炮架的力为后坐力。

由于发射时膛内燃气压力非常高（最大膛内压力高达250~700MPa，见图1.2中pm），因此炮膛合力非常大（炮膛面积乘膛内压力，例如155mm火炮的炮膛合力可以高达7×106N）。如果身管与发射装置的架体刚性连接，则后坐力就等于炮膛合力。为了保证正常射击，在射击时，发射装置既不能移动（保证射击静止性），也不能翻转（保证射击稳定性），还应具有足够的刚度和强度。这样，发射装置势必就非常庞大和笨重，导致其机动性下降。减小后坐力、减轻质量、提高机动性，是身管发射武器发展的永恒主题。

为了使炮膛合力不直接作用于炮架，现代火炮都在炮身与炮架之间设置缓冲装置（称为反后坐装置），让炮身及其他零部件（所有参与运动的零部件合称为后坐部分）在炮膛合力的作用下，能沿身管轴线向后运动（称为后坐）。后坐部分的后坐运动如图1.3所示。反后坐装置提供的作用力，一方面作用于运动着的后坐部分，称其为后坐阻力（见图1.3中FR），另一方面作用于不运动的炮架，称其为后坐力。后坐力与后坐阻力大小相等、方向相反。

在后坐运动时，根据牛顿运动定律，后坐部分的后坐运动规律可以用公式表示为

式中：m——后坐部分的运动质量；

v——后坐部分的运动速度；

dv

dt——后坐部分的运动加速度；

——后坐部分的运动惯性力；

Fpt——作用在后坐部分上的炮膛合力；

FR——炮架通过反后坐装置作用在后坐部分上的后坐阻力。将上式移项变形，得

由此可见，在后坐加速时期，炮膛合力Fpt转化成两部分，一部分是后坐部分的后坐运动惯性力，另一部分是通过反后坐装置作用于炮架的后坐阻力FR。由于后坐加速运动（dv/dt>0），炮膛合力主要用来产生后坐运动，因此作用于炮架的后坐力比炮膛合力小得多（1/40~1/10），从而可以在保证射击静止性和稳定性以及发射装置的刚度和强度的同时，减轻发射装置的质量，减小发射装置的结构尺寸，提高其机动性能。

在火药燃气作用完毕之后，后坐部分的惯性在反后坐装置的作用下继续减速后坐，直到后坐终了，然后又在反后坐装置作用下向前运动（称为复进），恢复发射前状态。在后坐减速时期及复进时期，反后坐装置提供的作用力，一方面继续作用于后坐部分，另一方面继续作用于炮架。但是，与炮膛合力相比，反后坐装置作用力要小得多。

由此可知，反后坐装置的作用是将作用时间极短、作用距离很小、量值很大的炮膛合力转化为作用时间较长、作用距离较大、量值较小的后坐力，如图1.4所示。一般来说，在一定范围内，后坐距离越长，后坐力越小。但是，并不是后坐距离越长越好，实际上后坐距离不仅受到结构的限制，还受到使用、勤务、操作方面的限制。通过合理设计反后坐装置，可以控制炮身的运动和后坐力。

反后坐装置主要由两部分组成，第一部分是制退器，主要用来控制后坐运动和消耗部分后坐动能，使炮身后坐到一定距离而停止；第二部分是复进机，主要用于在后坐过程储存能量，当后坐终了后保证火炮恢复到原先位置。后坐运动时，炮身在炮膛合力作用下带动制退器中制退活塞相对制退筒运动，挤压制退器工作腔液体，由于液体不可压，并且流液孔面积比制退活塞面积小得多，因此工作腔内的制退液经流液孔高速喷入非工作腔，同时在工作腔形成较大后坐液压阻力，节制炮身后坐运动。根据流体力学定律可以导出，液压阻力正比于后坐运动速度的平方，反比于流液孔面积的平方，即在非工作腔形成高速飞溅湍流，液体与液体之间，以及液体与筒壁之间产生高速碰撞，将部分后坐动能转化为热能而消耗掉。如图1.5所示。

根据动量守恒定理，速度与质量成反比。由于后坐部分质量比弹丸质量大得多，因此后坐部分的后坐速度比弹丸运动速度小得多。动能与质量成正比，而与速度的平方成正比，通常后坐部分的后坐运动动能为弹丸动能的几十分之一，并且后坐运动动能常用作开闩、供输弹机构及后坐部分复进的动力源。对于采用液压式制退器的武器，大部分后坐能量转化为制退器内制退液的温升而消耗掉。

身管发射过程是一个极其复杂的动态过程。一般发射过程极短（几至十几毫秒），经历高温（发射药燃烧温度高达2500~3600K）、高压（最大膛内压力高达250~700MPa）、高速（弹丸初速高达200~2000m/s）、高加速度（弹丸直线加速度是重力加速度的10000~30000倍，发射装置的零件加速度也可高达重力加速度的200~500倍，零件撞击时的加速度可高达重力加速度的15000倍）过程，并且发射过程以高频率重复进行（每分钟可高达10000次循环）。由于身管发射过程的时间很短，它的瞬时功率很高，但热损失很大，其能量利用率为16%~30%，远比其他热力机械低。

身管发射过程伴随发生许多特殊的物理化学现象。身管发射的能源是火药，火药是一种含能的化学材料，既有燃烧剂又有助燃剂，当达到一定的温度以后就会燃烧。火药燃烧后在容器内生成有一定温度和压力的火药燃气，化学能转化为热能。火药燃气在膛内膨胀，推动弹丸飞出膛口，实现了由热能向动能的转化，即将一定质量的弹丸由静止状态加速到飞出膛口时获得一定的速度。身管发射过程中，对发射装置施加的是冲击载荷，身管、膛口装置、抽气装置、炮尾、炮闩及各连接件直接承受火药燃气的冲击载荷，这个载荷是构件强度设计的主要依据。在冲击载荷的激励下还会引发发射装置的振动，尤其是膛口振动，其是影响射弹散布的重要原因之一。身管发射过程中，身管的温升与内膛表面的烧蚀、磨损是非常复杂的物理、化学现象。在工程实践中，通常采取各种方法冷却身管，如在发射装药中增加缓蚀添加剂，采用爆热低的发射药，研究新型的身管材料，对身管内膛进行特殊工艺处理等多种技术措施以减少烧蚀和磨损。当弹丸飞离膛口时，膛内高温、高压的火药燃气在膛口外急剧膨胀，甚至产生二次燃烧或爆燃。特别是采用膛口制退器时，所产生的膛口冲击波、膛口噪声与膛口焰，容易暴露目标，降低战场生存能力；同时，对阵地设施、武器及载体上的仪器、仪表、设备和操作人员都会产生有害的作用。