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弹药系统分析论文

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WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998

弹药系统分析论文

火箭弹弹药系统分析

摘要：

火箭弹靠推进的非制导。

主要用于杀伤、压制敌方有生力量，破坏工事及武器装备等。

按对目标的毁伤作用分为杀伤、爆破、破甲、碎甲、燃烧等火箭弹；按飞行稳定方式分为式火箭弹和式火箭弹。

火箭弹通常由战斗部、和稳定装置3部分组成。

战斗部包括、火箭弹壳体、或其他装填物。

火箭发动机包括点火系统、推进剂、燃烧室、喷管等。

尾翼式火箭弹靠尾翼保持飞行稳定；涡轮式火箭弹靠从倾斜喷管喷出的燃气，使火箭弹绕弹轴高速旋转，产生，保持飞行稳定。

火箭弹的发射装置，有、、火箭发射架和火箭发射车等。

由于火箭弹带有自推动力装置，其发射装置受力小，故可多管（轨）联装发射。

关键字：

火箭弹弹药系统分析

一、火箭弹的发展简况

中国是火箭的发源地。

据史料记载，公元969年（宋开宝元年）冯义升和岳义方两人发明了火箭并试验成功。

公元1161年宋军就有了初期的火箭武器—“霹雳炮”，并应用于军事。

大约于13~14世纪中国的火药及火箭技术传入阿拉伯国家，以后又传入欧洲。

19世纪初，英国人W康格里夫研制了射程为2.5km的火箭弹。

20世纪20~40年代，德国、美国、前苏联等国都研制并发展了各自的火箭武器，其中，前苏联制造的БМ—13式火箭炮，可联装16发132mm口径的尾翼式火箭弹，最大射程达8.5km，在第二次世界大战中发挥了重要的作用，俗称“卡秋莎”。

第二次世界大战后，前苏联先后研制成了M-14、M-21、M-24和夫劳克火箭弹及其火箭炮，至20世纪70~80年代先后研制了220mm多管炮与300mm多管火箭炮及火箭弹，其中300mm火箭弹最大射程已达到70km。

美国沃特公司研制生产的M270式多管火箭炮系统，于1983年正式装备美国陆军。

M270式多管火箭弹系统是一种全天候、间瞄、面积射击武器，能对敌纵深的集群目标和面积目标实施突然的密集火力袭击，具有很高的火力密度，其战斗部采用双用途子弹子母战斗部。

20世纪50年代，火箭弹的最大射程约为10km，60~70年代大多数火箭弹的最大射程为20km，80年代研制的火箭弹的射程已超过30~40km，90年代以后美国等在MLRS（MultipleLaunchRocketSystem）系统上研制开发的227mm火箭弹射程达到了70km，俄罗斯研制的300mm火箭弹射程也将达到70km，中国研制的WM―80型273mm火箭弹其最大射程超过80km。

20世纪末许多国家开始了100km以上的超远程火箭弹的研制。

二、火箭弹的基本组成

火箭弹是一种依靠火箭发动机所产生的推力为动力，完成规定作战任务的无控或有控弹药。

火箭弹由于要完成各种不同的战斗任务，因而种类繁多，一般由引信、战斗部、火箭发动机、稳定装置和导向装置等几部分组成。

1）引信——激活战斗部在弹道终点发挥作战效能的机械或机电部件。

目前火箭弹研制中常用的引信有触发引信、电子时间引信以及无线电近炸引信等。

2）战斗部——在弹道终点发挥作战效能的部件。

目前在火箭弹研制中常用的战斗部类型包括：

杀伤战斗部、爆破战斗部、杀伤爆破战斗部、子母战斗部、破甲战斗部、半穿甲战斗部、干扰战斗部以及云爆战斗部等。

3）火箭发动机——使火箭弹能够飞行的推进动力装置。

目前装备及在研的火箭弹主要采用固体火箭发动机。

固体火箭发动机通常由联接底、燃烧室、固体推进剂装药、装药支撑装置、喷管及点火具等组成。

火箭发动机使火箭弹在弹道主动段末端达到最大飞行速度后结束工作。

4）稳定装置——使火箭弹能够按预定的姿态及弹道在空中稳定飞行的装置。

按照飞行稳定原理的不同，稳定装置可分为涡轮式稳定装置和尾翼式稳定装置两类。

涡轮式稳定装置是利用火箭发动机的多个倾斜喷管产生的导转力矩使火箭弹绕纵轴高速旋转，利用陀螺效应使火箭弹稳定飞行；尾翼式稳定装置是在火箭弹的尾部安装尾翼，飞行时空气动力产生稳定力矩，从而使火箭弹能够稳定飞行。

5）导向装置——导向钮或定向钮是尾翼式火箭弹经常采用的导向装置。

导向装置的作用是引导火箭弹在定向器上沿着一定的方向运动，使火箭弹在定向器上作直线运动或螺旋运动，并在带弹行军时固定火箭弹。

三、火箭弹的工作原理

火箭弹是通过发射装置借助于火箭发动机产生的反作用力而运动，火箭发射装置只赋予火箭弹一定的射角、射向和提供点火机构，创造火箭发动机开始工作的条件，但对火箭弹不提供任何飞行动力。

火箭发动机是火箭弹的动力推进装置，在火箭弹发射时，发火控制系统将点火具发火，点火具中药剂燃烧时产生的燃气流经固体推进剂装药表面时将其点燃。

主装药燃烧产生的高温高压燃气流经固体火箭发动机中拉瓦尔喷管时，燃气的压强、温度及密度下降，流速增大，在喷管出口截面上形成高速气流向后喷出。

当大量的燃气高速从喷管喷出时，火箭弹在燃气流反作用力的推动下获得与空气流反向运动的加速度。

由于从火箭发动机高速喷出的气流物质是火箭发动机所携带的固体推进剂装药燃烧产生的，所以火箭发动机的质量不断地减小，表明火箭弹的运动属于变质量物体运动。

而固体火箭发动机结束工作时，火箭弹在弹道主动段末端达到最大速度。

四、火箭弹按用途的分类

1）主用火箭弹——对敌方人员、坦克、装甲车辆、土木工事、铁丝网、车辆、建筑物、敌方雷场、各类地堡或地下军事设施等敌人有生力量或非生命目标起直接毁伤作用的火箭弹统称主用火箭弹。

这类火箭弹包括杀伤火箭弹、杀伤爆破火箭弹、爆破火箭弹、聚能装药破甲火箭弹及燃烧火箭弹等。

2）特种火箭弹——用于完成某些特殊战斗任务的火箭弹统称为特种火箭弹。

这类火箭弹包括照明火箭弹、烟幕火箭弹、干扰火箭弹、宣传火箭弹、电视侦察/战场效能评估火箭弹。

3）辅助火箭弹——用于完成学校教学和部队训练使用任务的火箭弹统称为辅助火箭弹。

这类火箭弹包括各种火箭弹教练弹。

4）民用火箭弹——诸如民船上装备的抛绳救生火箭、气象部门采用的高空气象研究火箭与人工降雨火箭弹、海军舰船用的火箭锚等均尾民用火箭弹。

五、火箭弹的特点

（1）优点：

a）飞行速度高

火箭弹是利用喷射推进原理获得飞行速度的。

飞行速度的大小主要取决于推进剂的比冲量和质量比。

而质量比并没有受到很大限制，可以按需要的速度确定。

b）发射过载系数小火炮发射的弹药在发射时过载较大，无后坐力炮及迫击炮发射的弹药其过载多数在5000g左右，榴弹炮发射的弹药其过载都在10000g以上。

和炮弹相比，火箭弹起飞时加速度相差两个数量级。

大多数炮兵火箭的发射过载都在100g以下，即使是推力较大，工作时间很短的反坦克火箭弹，其发射过载多数在3000g以下。

c）发射时无后坐力火箭弹靠喷气推进原理获得飞行速度，全弹飞离发射架管口或轨道末端前，发射架基本不受力的作用，发射管内壁受到的压强较小。

火箭发射装置可以安装在拖车、汽车、履带车、飞机、直升机和舰艇上，也特别适合于步兵携带。

d）火力密集，完成作战任务的突袭时间较短。

2）缺点

a）生产成本比相同威力的炮弹高：

火箭弹是依靠自身携带的火箭发动机推进加速的，发射一发火箭弹要消耗一发火箭发动机壳体和一定数量的固体推进剂。

b）密集度较差：

而火箭弹由于发射管或轨道较短，不但弹丸出发射架管口或离开轨道末端时速度低，而且在外弹道加速过程中仍受到较大的推力作用，这些扰动因素将会使弹轴偏离速度矢量方向，产生较大的落点散布。

c）易暴露发射阵地：

发射火箭弹时，火箭发动机工作将从喷管中向后喷出大量的高温高速气流，高速气流与空气摩擦会产生很大的噪声，高温气流将产生很强的光和红外信号，声、光、红外信号以及扬起的尘土很容易使发射阵地暴露在敌方的雷达等探测装置的侦察范围内。

六、固体火箭发动机设计

固体火箭发动机属于化学火箭发动机，用固态物质（能源和工质）作为推进剂。

固体推进剂点燃后在燃烧室中燃烧，产生高温高压的燃气，即把化学能转化为热能；燃气经喷管膨胀加速，热能转化为动能，以极高的速度从喷管排出从而产生推力推动导弹向前飞行。

固体火箭发动机主要由壳体、固体推进剂、喷管组件、点火装置等四部分组成，其中固体推进剂配方及成型工艺、喷管设计及采用材料与制造工艺、壳体材料及制造工艺是最为关键的环节，直接影响固体发动机的性能。

固体推进剂配方各种组分的混合物可以用压伸成型工艺预制成药柱再装填到壳体内，也可以直接在壳体内进行贴壁浇铸。

壳体直接用作燃烧室。

喷管用于超音速排出燃气，产生推力；喷管组件还要有推力矢量控制（TVC）系统来控制导弹的飞行姿势。

点火装置在点火指令控制下解除安全保险并点燃发火药产生高温高压火焰用于点燃壳体内的推进剂。

固体发动机的水平与复合材料工业和高分子化学材料工业的科技水平密不可分，可以说是一个国家科技水平的缩影。

固体火箭发动机结构图（潜入式全轴柔性摆动喷管）

中、远程以上的固体弹道导弹通常由两级以上火箭发动机和前端系统（包括仪器舱、弹头、整流罩等）构成。

为了给弹头提供较为精确的关机点速度，有些末级固体发动机（如美国的民兵3导弹的第三级和我国巨浪-1的第二级）的前封头装有推力终止装置，接到关机指令，推力终止孔打开进行反向喷射，燃烧室迅速泄压，火焰熄灭，推力也就终止了，同时反向喷射提供了末级分离的推力；先进的弹道导弹（如美国的三叉戟C4/D5，法国的M4/M45/M51）则采用优化控制飞行弹道和姿势（即所谓能量管理）使推进剂耗尽关机的方法。

分导式多弹头（MIRV）导弹除多个主级发动机外还有一个末助推级（PBV，又称弹头母舱，由姿控系统、仪器舱及弹头支承/释放平台构成，一些先进单弹头导弹也有PBV），姿控发动机精确调整速度和姿势并逐个投放多弹头和诱饵对多个目标实施打击。

1.固体推进剂

固体推进剂是由氧化剂、燃料（可燃剂）和其他添加剂组成的固态混合物，按配方组分性质可分为单基推进剂、双基推进剂、复合推进剂、改性双基推进剂等；按质地的均匀性分为均质推进剂（如单基、双基推进剂）和异质推进剂（如复合推进剂和改性双基推进剂）；按能量水平分为高能、中能、低能推进剂，比冲大于2450牛秒/千克（即250秒）为高能，2255牛秒/千克（即230秒）到2450牛秒/千克为中能，小于2255牛秒/千克为低能；按特征信号分为有烟、微烟、无烟推进剂。

单基推进剂，由单一化合物（如硝化纤维素，即硝化棉，简称NC）组成，理论比冲为170～220秒（1660~2150牛秒/千克），密度~1.65克/立方厘米。

危险等级级。

双基推进剂主要由硝化纤维素、硝化甘油（NG）和一些添加剂组成，双基推进剂的优点是药柱质地均匀，结构均匀，再现性好；良好的燃烧性能，燃烧速度压力很小；工艺性能好；具有低特征信号，排气少烟或无烟；常温下有较好的安定性、力学性能和抗老化性能；原料来源广泛，经济性好。

缺点是能量水平和密度偏低，高、低温下力学性能变差。

双基推进剂主要用于小型固体燃气发生器。

复合推进剂（CompositePropellant）理论比冲为225～265秒（2200~2600牛秒/千克），密度~1.80克/立方厘米。

危险等级级。

2.喷管组件设计

火箭发动机喷管属于收敛-扩散型喷管（即拉瓦尔-DeLaval喷管），由入口段（收敛段）、喉部（喉衬）、出口锥（扩散段或扩张段）构成，它的作用是将燃烧产物的热能转换为高速射流的动能从而产生推力。

喷管的设计对发动机的性能是至关重要的，设计不当，大量的能量将被浪费掉而不能产生推力。

喷管有潜入式和外置式两种结构，潜入式喷管的入口段、喉部、部分出口锥都“潜入”到燃烧室内；出口锥有锥形和钟型两种构型，钟型喷管的效率高于锥形。

喷管的设计

喷管喉径、出口锥构型和长度参数决定了喷管的膨胀比（或称扩张比，指喷口截面积与喉部截面积之比），直接影响到发动机的性能。

最理想的状况是，当喷口处的喷流压力（喷管越长，喷口处喷流压力越低）与外部大气压力相等时，可得到最佳性能（最大推力），这称为喷管完全膨胀。

实际上，由于大气压力随高度上升而降低，一个固定几何形状的喷管只能在某个特定高度获得最佳性能。

当喷流压力小于外部大气压力时（低空），喷流受挤压与出口处部分喷管内壁分离，使该部分内壁对推力没有贡献，意即低空时可用较短的大口径喷管；当喷流压力大于外部大气压力时（高空），出口处喷流往外扩散而不能作用于喷管内壁，同样导致损失能量，亦即高空时要用更长喷管以减低能量损失。

因此，地面启动的一级发动机往往使用较短的喷管，而二、三级发动机可以使用延伸喷管提高膨胀比以改善发动机效能。

七、空气动力计算

许多文献在计算火箭弹的空气动力参数时均采用了一些经验公式，但大部分仍需要大量图表。

如图1所示，为计算弹体曲线型尾部波组系数C

时需要查随马赫数M

地变化的图型曲线。

确定飞行马赫数后，根据尾部长细比丸，从图中即可查出渡阻系数的大小。

图表数据有如下几个缺点：

一是误差随主观变化较大，二是插值误差大，三是不利于编制计算程序和理论分析。

为克服上述缺点，可采取两种途径：

一是离散图表数据，用表格形式表示出各个点的数据；二是进一步对离散数据进行拟合，得到一系列拟合曲线公式。

两种方式均可用于编程，以第二种为最佳。

曲线型尾部波阻系数C

随马赫数M

地变化的图型曲线

八、火箭弹的发展趋势

火箭弹具有无后坐、射程覆盖范围大、使用方便等优点，随着一些高新技术、新材料、新原理、新工艺在火箭弹武器系统研制中的应用，火箭弹在射程、威力、密集度等综合性能指标方面有了较大幅度的提高，呈现出射程远程化、打击精确化、大威力及多用途化、动力推进装置多样化的发展趋势。

1）射程远程化

近年来高能材料在固体推进剂制造中的应用，使得推进剂能量有了大幅度提高。

目前，火箭弹在射程方面的发展主要有两个方面：

a）现有火箭弹改造，提高其射程；b）大力开发研制大口径远程火箭弹。

2）打击精确化

落点散布较大是早期的火箭弹最大的弱点之一，将会大大影响火箭弹的作战效能。

在常规技术方面进行了高低压发射、同时离轨、尾翼延张、被动控制、减小动静不平衡度以及微推偏喷管设计等技术的研究以提高密集度。

3）大威力及多用途化

早期的野战火箭弹主要用于对付大面积集群目标，所配备的战斗部仅有杀爆、燃烧、照明、烟幕、宣传等作战用途，单兵使用的反坦克火箭弹也只有破甲和碎甲的作战用途。

现代野战火箭弹在兼顾对付大面积集群目标作战任务的同时，已开始具备高效毁伤点目标的能力，并且战斗部的作战功能多极化。

4）动力推进装置多样化

固体火箭发动机结构简单、工作可靠、使用方便等特点，使其成为目前大多数自带动力武器的动力装置。

目前许多国家已开始应用或研究多种新型动力推进装置，主要有以下几类：

a）固体或液体冲压发动机；b）凝胶推进剂发动机；c）脉冲爆轰发动机。

参考文献：

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