76mm杀爆弹课程设计

课程设计成绩评定表课程设计题目76mm舰炮杀爆弹空气动力特性分析和弹道计算专业弹药工程与爆炸技术班级学号姓名评语指导教师签字：成绩日期年月曰课程设计任务书学院能源与水利学院专业弹药工程与爆炸技术学生姓名班级学号课程设计题目76mm舰炮杀爆弹空气动力特性分析和弹道计算实践教学要求与任务:已知条件：1结构尺寸（见附图）2弹丸直径D=76mm3弹丸初速v0=980m/s4弹丸射角°=45。05弹丸质量m=5.9kg6弹丸转动惯量比JJ=0.04031/0.00478=9.0y'x7火炮缠度牛30.71（d）8引信为榴-7引信，其外露长度为100mm,质量为0.25kg,旋入弹体深度为47mm,小端直径为20mm9弹丸质心位置（距引信）h=115.1mm010弹体材料D60设计要求：1用AUTOCAD绘制弹体零件图和半备弹丸图，用三维软件绘制三维图2对弹丸结构进行空气动力特性分析3利用所学方法进行弹丸空气动力参数计算4根据弹丸空气动力参数进行弹道计算5进行弹道飞行稳定性计算6总结分析计算结果7撰写课程设计说明书

工作计划与进度安排：第一天：下发任务书，分组，讲解课程设计思路，布置任务。第二天-第三天：绘制弹丸二维及三维图纸第四天-第五天：根据弹丸外形尺寸计算空气动力特性参数第六天-第七天：根据所计算的空气动力特性参数计算弹丸的外弹道诸元第八天-第九天：计算弹丸的飞行稳定性，并撰写课程设计说明书。第十天：答辩指导教师：201年月日专业负责人：201年月日学院教学副院长：201年月日我们本次学习研究的课程设计是以《弹道学》为基础，对76mm加农炮杀伤爆破弹的弹道计算和飞行稳定性分析。我们通过对其弹道诸元的分析和飞行稳定性的分析极大地加深了我们对弹道学的认识和理解。本文一共分为5个章节去研究以及学习弹丸的弹道计算和飞行稳定性分析，第一章分析计算弹丸的空气动力参数，第二章利用弹道表解法的表格法计算外弹道的弹道诸元，第三章分析了弹丸的飞行稳定性，第四章对计算结果进行了分析，第五章为课程设计后的一些体会。本次课程设计的空气动力参数的计算包括弹丸的结构参数的计算，例如旋成体最大直径，弹体截面直径，弹尾部长度等几何参量以及各类长径比等无量纲。这些数据都将影响弹丸在空气中飞行时受到的阻力系数。同时，此次外弹道计算是用在1943年阻力定律和标准下所编的弹道表进行弹道的诸元和修正诸元的查算和反查算。该弹丸在空中飞行的稳定属于旋转稳定，其条件是弹丸具备陀螺稳定性。陀螺稳定性是指高速旋转的弹丸具有定轴性和抗扰性。理论上来说，只要膛线缠度小于某一最大值，即膛线缠度上限就可以保证弹丸具有陀螺稳定性。判断完它的陀螺稳定性后则是计算其追随稳定性。弹丸追随稳定性的物理本质是：弹轴追随弹丸速度矢量的下降而下降。火炮膛线缠度耳大于膛线缠度下限耳下,弹丸的飞行就满足追随稳定性要求。判断完弹丸的陀螺稳定性和追随稳定性后，计算方面的工作告一段落。最后是此次课程设计的结论和分析，以及一些能够优化弹丸各项性能的改进。关键词:杀爆弹；弹道计算;陀螺稳定性目录TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"1绘制弹体零件图和半备弹丸图 1\o"CurrentDocument"2弹丸空气动力参数计算 2\o"CurrentDocument"1 弹丸结构参数的计算 2\o"CurrentDocument"2弹头部波阻系数的计算 3\o"CurrentDocument"3弹尾部波阻系数的计算 4\o"CurrentDocument"2. 4弹体摩擦阻力系数的计算 4\o"CurrentDocument"2. 5弹体底部阻力系数的计算 5\o"CurrentDocument"6 本章小结 6\o"CurrentDocument"3外弹道计算 7\o"CurrentDocument"1外弹道计算 7\o"CurrentDocument"2 本章小结 8\o"CurrentDocument"4弹丸飞行稳定性计算 9\o"CurrentDocument"4.1弹丸陀螺稳定性计算 9\o"CurrentDocument"4.2弹丸追随稳定性计算 9\o"CurrentDocument"3本章小结 10\o"CurrentDocument"5结果分析 11\o"CurrentDocument"6 总结 13\o"CurrentDocument"参考文献 121绘制弹体零件图和半备弹丸图由任务书所提供弹体结构简图和尺寸，运用AutoCAD绘制152mm杀爆弹弹体图和半备弹丸图（见附图1,附图2），工作内容：1） 由弹体结构简图，进行页面的布局设置；2） 利用图层管理器创建图层，设定线型、线宽和颜色，如粗实线、细实线、中心线、剖面线、尺寸线等，并设定好不同的颜色以及不同的线型和线宽；3） 利用标注样式管理器，创建尺寸标注样式。在绘制过程中应注意几点：1） 应设置几处不同的图层，各图层设置的颜色和线型应不同，绘图时在同一类型的图形放在同一图层中，便于修改；2） 由于是用A3图纸打印，小于弹体实际尺寸，因此应加大字体和线宽；3） 在标注过程中应该注意其字高的一致。2弹丸空气动力参数计算2.1弹丸结构参数的计算弹丸弹体形状可看成是由一条母线绕对称轴旋转而成的，这样的物体称为旋成体。它一般由三部分组成：削尖的弹头部，延伸的圆柱部，收缩的弹尾部。对于尾翼稳定的弹丸还要加上稳定装置（如尾翼），弹丸的各部分的外形结构、重量与质量的分布设计是否合理，对弹丸的弹道性能、气动力好坏和威力的大小有很大的影响。头部的头顶角记为0。，一般不大于20°；在高速飞行时，头部越长，波阻越小，头部母线和圆柱部相割（而不是相切）有利。圆柱部长度约为1〜2d，圆柱部较长可以保证弹丸在膛内稳定和一定的装药空间而保证弹丸威力。弹带离弹尾部距离要大于d/4，以避免附面层因弹带存在而和弹体分离，致使涡阻增大。但是圆柱部增长，摩阻要增大。为了减小尾部的波阻，采用截头锥形尾部，尾部收缩角记为0/在6〜9为好，一般小于10°。弹体的长细比不一样，一般的旋成体长细比在4.5〜6。组成旋成体的几何参量如下：弹底截面直径 D=72mm；d旋成体最大直径 D=76mm；m弹头部长度 L=159mm；n圆柱部长度 L=144.3mm；c弹尾部长度 L=13.2mm；t旋成体总长度 L=316.5mm；b弹头部顶角 0=12°；0弹尾部收缩角 0=9°；除上述几何参量外，还有几个无量纲量：旋成体长径比：九=4.1645；bL弹头部长径比： 九n二衣=2.0921；mL圆柱部长径比： 九二一=1.8987；cDm弹尾部长径比： 九二土=0.1737；tDm13.旋成体收缩比： 臣=补MD2=0.8975。13.旋成体收缩比： 臣=补MD2=0.8975。dSD2m m当迎角为零时，由于对称关系，弹体只受到轴向力，法向力和俯仰力矩均等于零,阻力的一般表达式可写为：其中C为迎角为零时的阻力系数，在超音速下可写为:x0C=C+C+C+Cx0 xf xd xn xt(2.1)式中，C——头部波阻系数；xnC――尾部波阻系数；xt2.2弹头部波阻系数的计算弹头的形状对弹头波有影响:C——弹底部阻力系数;xdC——弹体摩阻系数。xf弹体越钝，扰动越强，激波越强。消耗的弹的动能越多。减小波阻的方法可以使弹头部锐长。马赫数m广A340二2.882>1，为超音速。尖拱形弹头部的阻力系数由xn=[(0-0016+H"xn=[(0-0016+H"][1-8196九2—16一 n I14(M+18)九28 n(2.2)=[(0.0016+0.0022.8822)X121.7]x[1—196x2.09212-16 ]14x(2.882+18)x2.09212]二0.043所以弹头波阻系数为：C'二0.043。xn引信前端面为平头，其前端面横截面积所带来的阻力需估算进去。引信前端提供的附加阻力系数为：S 314AC=(C)— (2.3)=1.6x 二0.1108xaxnaS 4534.16m其中，(C)由《空气动力学》［2］查得(C)=1.6；xna xna

TOC\o"1-5"\h\z k D2 202S――前端面横截面积，S二Da-“=丝X3.14=314mm2；a a4 4, D2 76-S 弹丸最大横截面积，S=—兀= x3.14=4534.16mm2；m m4 4所以弹头部波阻系数为C=C'+AC=0.043+0.1108=0.1538。xn xn xa2.3弹尾部波阻系数的计算弹尾部有收缩形和扩张形，采用收缩是为了减小底阻，通过减小底部面积从而减小底阻力，但是收缩又出现了波阻，此外，收缩形弹尾对全弹的纵向稳定不利。对截锥形收缩尾部，波阻系数为C=[(0.0016+ )H](1—S)0.5 (2.4)xt M2 t dg=[(0.0016=[(0.0016+氓曲加1^二0'0247所以弹尾波阻系数：C=0.0247。xt2.4弹体摩擦阻力系数的计算摩阻是由于空气相对摩擦产生的阻力，弹丸在空气飞行中，带动弹丸表面薄空气从而消耗了弹丸的动能，减小了速度，摩阻和弹丸的表面光洁有关，制造粗糙的弹丸可以使弹丸的摩阻增加2〜3倍，在表面涂漆可以改善表面光洁，可以使射程提高0.5〜2.5%,在亚音速时，弹丸的摩阻占总阻的35〜40%，超音速只占10%左右。目前求摩擦阻力系数时，基本上是利用平面物体的研究结果。这样就把弹体展成一

“相等平板”来处理，它的单面积等于弹体实际受摩擦表面积s,长度等于弹体长L。f b雷诺数R=PVl」206X980X°・3165=2.050x108e耳 1.825X10-6式中耳=1.825x10-5kg/ms,p-1.206kg/m3均由查表2得。一般情况下取临界雷诺数R*沁6.5x106。eR>R*，对于高速弹丸(尤其是旋转弹丸)的摩阻计算，常把附面层全部视为紊eL e流状态，则其弹体摩擦阻力系数C为对

0.032C= (1+0.2M0.032C= (1+0.2M2)-0.467耳xfR0.145 s 入eL-f-(2.5)0.032(3.72x107》145(1+0.2x2.8822)-0.467x(2.5)0.032(3.72x107》145(1+0.2x2.8822)-0.467x1.23x64056.86234534.16式中，n入S=0.0281形状修正系数，由《空气动力学》查得九=1.23；入弹体侧面积，S=S+S+S+Sf引信弹头圆柱弹尾_兀d(D+d) 2兀(D+D)仃2cosp 3 m<0兀(D+D)l+ m d_t2cospt兀d(D+d) 2兀(D+D) + m d—2cosp 30兀(D+D)l+ m 上一t2cospt=64056.8623mm2。2.5弹体底部阻力系数的计算由于附面层的分离，形成旋涡而使弹丸前后出现压力差，造成底部阻力。对于超音速弹丸，底阻占30%左右，而亚音速弹丸，底阻占60〜60%左右，所以对于减小底阻是有很大意义的，现在有采用底凹或者底排，提高底亚，减小底阻。超音速时，底阻的形成原因不仅与外部气流的引射作用有关，而且与尾激波有关。影响底部阻力的主要因素有：R数、附面层特性、尾部外形、底部热状态、有无喷流、e马赫数、迎角、飞行高度等。可利用近似公式估算底阻。M2.853[33—1.33;2.15有效长径比九—e忖Td匸严—2.15；k-____ 0.8975 1九k?l,底阻系数可由C—085SxdM2d(2.6)0.852.8822x0.8975=0.0918所以底部阻力系数：C=0.0918；xd所以阻力系数为：C—C+C+C+Cx0 xf xd xn xt—0.0281+0.0918+0.1538+0.0247

二0.2984C(Ma)按V=980m/s查43年阻力定律得C(Ma)=0.28；TOC\o"1-5"\h\zx0 0 x0由43年阻力定律得弹形系数i二C0("a)=02984=1.066；C(Ma) 0.28x0=1.001ixd2x103 1.066x0.0762x103=1.001\o"CurrentDocument"C= =m 6.152.6本章小结本章内容为计算弹丸的结构参数，弹丸头部波阻系数，弹丸尾部波阻系数，弹体摩擦阻力系数，弹丸底部阻力系数以及弹丸总体的阻力系数。计算结果如下：弹头部波阻系数为：C=C'+AC=0.043+0.1108=0.1538，弹尾波阻系数：CTOC\o"1-5"\h\zxn xn xa xt=0.0247，弹体摩擦阻力系数为C=0.0281，底部阻力系数：C=0.0918，阻力系xf xd数为：C=C+C+C+C=0.2984。x0 xf xd xn xt3外弹道计算3.1外弹道计算外弹道解法有数值积分法、近似分析法和弹道表解法，主要手段是计算机，有时候是手算和计算器，现在是主要使用后者，弹道解法是在某个阻力定律和标准下所编的弹道表（含基本弹道诸元和修正诸元）进行弹道的诸元和修正诸元查算和反查算。应用比较简单。现在就是利用弹道表解法的表格法。从上面的计算和已知条件知：C=1.0、v=980m/s、0=45°，00查《地面火炮外弹道表》，得弹道诸元数据，表3.1《弹道诸元数据表》列出了所需的弹道诸元数据：表3.1弹道诸元数据表弹道诸兀v0C9501000射程X1.01631817041飞行时间T1.067。80'69。61'落速vc1.0304307落角0c1.064。37'65。11'弹道咼Y1.061216470表3.2表格法弹道诸兀v0C9509701000X1.016318X17041Y1.06121Y6470T1.067.80T69.610c1.064。37'0c65。11'vc1.0304V307利用表格法插值求出v=980m/s时弹道诸元，表3.2为表格法所需表格。0射程X=16318+17041—163181000-950(980-950)二射程X=16318+17041—163181000-950(980-950)二16751.8m；射高Y=6121+6470-61211000-950(980-950)二6330.4m；时间T二67.80+69.61-67.801000-950(980-950)二68.886s；射角6=64。37'+c65。11'-64。37'1000-950(980-950)二64。57'射速v=304+c307-3041000-950(980-950)=305.8m/s经过插值计算得到以下：X=16751.8m 6=64。57'cT=68.886s Y=6330.4mv=305.8m/sc丫167518在弹道顶点，速度定点速度v由v= = =243.18m/s,所以v=243.18m/s。ssT68.886 s3.2本章小结本章的内容为弹丸的外弹道的弹道诸元的计算。计算结果如下：射程X=16751.8m,飞行时间T=68.886s，射速v=305.8m/s,射角6=64。57'0',射高Y=6330.4m,顶点速vc c s=243.18m/s

4弹丸飞行稳定性计算所谓弹丸飞行的稳定性是指弹丸在短时间或长时间扰动下，实际弹道与理想弹道的偏差不超过一定范围。其扰动因素可以瞬时地起作用，也可持续地起作用。弹丸具有陀螺稳定性和追随稳定性是其飞行稳定的必要条件。4.1弹丸陀螺稳定性计算弹丸的陀螺稳定性是指高速旋转的弹丸具有定轴性和抗扰性。只要膛线缠度n（n=30.71）小于某一最大值一一膛线缠度上限为n就可以保证弹丸具有陀螺稳定性。上=n=45.76(4.1)(4.2)yC=n=45.76(4.1)(4.2)TOC\o"1-5"\h\z~7h m\|——H(y)KJd o mz叮 yC _3.14i 0.6X13.442'Ih —2i'89.07iH(y)K 2 x9x0.9x10-3\o"CurrentDocument"Jd°mz 76式中；质量分布系数y=0.55〜0.65，取y=0.60；质量系数C=13.44kg/dm3；m转动惯量比I/J=9.0；x空气密度函数H（y）=1（标准情况下）；oTOC\o"1-5"\h\z翻转力矩特征数K由《外弹道学》表2.5（37页）得：K（v）=0.9x10-3；

mz mz0阻质心距由高巴尔公式h二h+0.37h—0.16d,0 r式中；h——头部底至质心的距离，h=42.4mm；00h 头部长，h=159mm；r rd 弹丸最大直径，d=76mm。则，h二h+0.37h—0.16d=42.4+0.37X159-76X0.16=89.07mm，0 r数据代入式（3.2）算得n=45.76，上因为上缠度n=45.76>n=30.71,故弹丸具有陀螺稳定性。上4.2弹丸追随稳定性计算弹丸追随稳定性的物理本质是：弹轴追随弹丸速度矢量的下降而下降。满足A| <ls］条件的弹丸，称为具有追随稳定性。此杀爆弹最大射角通常取9=45。Pmax Pm已知C=1.0、v=970m/s的条件下，应用《地面火炮外弹道表》，查表得部分弹道诸兀0数据,利用插值法得Y=6260.6m。火炮膛线缠度耳大于膛线缠度下限耳寸弹丸的飞行就满足追随稳定性要求•即：下(4.3)兀gpCvd e-rt(4.3)7m02h]H(y)v3K(M)

smzs

dp式中；质量分布系数p=0.52〜0.60，取p=0.60;质量系数Cm/(D3X103)=13.44kg/dms；m= m最大直径D=76mm;m弹丸初速v=980m/s;0取e-rt=1；顶点速度v=242.36m/s；sh是对旋转弹丸用高巴尔公式来计算的阻质心距,头部长h=159mm，头部底至质0心的距离h=42.4mm；弹丸最大直径D=76mm代入得h=89.07mm；TOC\o"1-5"\h\zr m动力平衡角允许值［5］=12。~15。，取［5］=12。;P P空气密度函数H(y)=(20000-Y)/(20000+Y)，将Y=6260.6mm代入得H(y)=0.52；翻转力矩特征数查《外弹道学》表2-5，利用公式得K(M)=0.93x10-3，贝廿：mzs\o"CurrentDocument"3.14x9.80.6x13.44x970x0.76 1r= x x =8.72下2 0.8907x12 0.52x242.363x0.93xlO-30.76x将所知数据代入式(3.3)得耳=8.72。即r>r满足追随稳定性要求。下 下4.3本章小结本章内容为弹丸飞行稳定性的定量分析，分析结果如下：由于该弹丸的上缠度r=45.76>r=30.71,故弹丸具有陀螺稳定。由计算得膛线缠度下限r=8.72小于火炮膛上 下线缠度r=30.71，所以弹丸具备追随稳定性。5结果分析通过计算得到马赫数为2.882，弹丸超音速飞行。经过计算我们得到弹道系数C=1.0，是在要求范围内，弹形系数为i=1.066，按43年阻力定律大部分弹形i=0.9~1.1，也是在允许的范围内。我们在进行的弹形系数计算参照的标准是沈阳理工大学主编的弹丸空气动学，C=C+C+C+C=0.0281+0.0918+0.153+0.0247=0.2984,就是头部波阻、尾部波x0 xf xd xn xt阻、底部阻力和摩擦阻力之和。我们所研究的为超音速所以主要的阻力为波阻和涡阻，各部分对总的阻力系数有一定影响，确切的说，我们的波阻在总的阻力中占的比例是(0.1538+0.0248)/0.2984=59.85%，摩擦阻力所占比例：0.0281/0.2984