火炮计算器

Matlab · 发表于 2024-12-12 12:51

在此前的贴子里我对内弹道的计算方法进行了简单介绍，并介绍了计算发射药性能的简化方法

此前主要是定性的介绍，经过进一步的学习，使用Excel编写了一个火炮计算器，可以输入火炮、发射药参数，从而定量的计算内弹道过程

Matlab · 发表于 2024-12-12 12:53

本帖最后由 Matlab 于 2024-12-26 13:17 编辑

火炮计算器v1.0

火炮计算器v1.1
增加了弹道效率、示压效率显示，燃速方程可调，燃速u=a+b*P^k

Matlab · 发表于 2024-12-12 12:54

计算器概览如下，包括发射药性能计算、内弹道计算，以及内弹道过程图像

Matlab · 发表于 2024-12-12 12:59

本帖最后由 Matlab 于 2024-12-12 13:00 编辑

在此前的贴子里已经介绍过发射药性能计算的简化方法

内弹道技术
https://www.warships.com.cn/thread-8591-1-1.html
(出处: 战列舰)

现在依据此编写发射药性能计算器，蓝色框是发射药某一组分的性能，红色框是依据各组分计算发射药整体性能

Matlab · 发表于 2024-12-12 13:13

本帖最后由 Matlab 于 2024-12-13 21:16 编辑

计算器需要知道一些发射药原料的基本性能，可以参考这本书：

以德国双基发射药组分二乙二醇二硝酸酯为例，计算过程如下：

首先是二乙二醇二硝酸酯性能：

计算结果如下：

与参考文献结果对比：

Matlab · 发表于 2024-12-12 13:17

内弹道计算界面如下，左侧表格是输入、右侧是输出
与之前的弹道计算器类似，需要先设置初值，再选择药形：

Matlab · 发表于 2024-12-12 13:26

本帖最后由 Matlab 于 2024-12-12 21:24 编辑

图中是维内托M1934的计算

部分参数可依据NW给出的计算

药室长度是指的药室的倍径，NW没有直接给出药室长度，但给出了膛线长度，为Rifling Length:624.0 in (19.781 m)
注意这里的19.781m是错误的，而624.0in更加准确，实际值16.35m，即药室长度2.745m、7.2倍径

药室扩张是药室横截面积与炮管横截面积的比值，德国火炮的药室扩张较小，俾斯麦为1.15，而英日意的药室比炮管更宽，维内托药室扩张为1.46、传家宝1.52、KGV1.24

药室扩张可由药室容积与口径、药室长度计算

Matlab · 发表于 2024-12-12 13:36

本帖最后由 Matlab 于 2024-12-12 21:22 编辑

M1934的实际膛压曲线如下：

注意这里曲线上标的是3800kg/mm^2，而左上角是3400kg/mm^2，后者被标为实际值

推测前者是依据发射药燃烧和炮弹运动计算出的理论值，但是可能没有考虑到炮管内的膛压分布并不均匀

计算器中的最大膛压与画出的曲线中都是弹底膛压

Matlab · 发表于 2024-12-12 13:37

本帖最后由 Matlab 于 2024-12-12 19:32 编辑

炮弹的动能等于膛压与炮管截面积的乘积对炮管长度的积分
对于与给定的火炮而言，炮管截面积与炮管长度是不变的，我们关心膛压如何变化

计算火炮某一时刻的膛压，可以依据理想气体的状态方程，由于火药燃气不是理想气体，例如火药燃气分子总要占据一定的体积。火药分子占据的体积被称为余容，通过引入修正我们可以得到膛压的计算公式

发射药形状与发射药燃烧速率之间的关系，此前有过介绍，通过调整内径、外径与药形，可以改变发射药的燃烧过程

内弹道技术
https://www.warships.com.cn/thread-8591-1-1.html
(出处: 战列舰)

Matlab · 发表于 2024-12-12 13:37

本帖最后由 Matlab 于 2024-12-13 21:11 编辑

发射药的能量不会全部用于加速炮弹，实际的能量分布如下

对于战列舰主炮而言，由于热传导导致的热损失不足1%

推进阻力是弹带与膛线接触产生的力，分为两个阶段，一是弹带挤进膛线的阶段，二是炮弹运动后滑动摩擦与碰撞产生的力
计算器的启动压力选定为50Mpa(50000000Pa)，摩擦阻力选定为7Mpa(7000000Pa)

炮弹运动会压缩弹前的空气，造成阻力

其余的能量还包括炮弹旋转的能量等，由于占比不大，没有纳入

Matlab · 发表于 2024-12-12 13:38

本帖最后由 Matlab 于 2024-12-13 21:16 编辑

发射药质量与药室之间的大小不一定成正比，我在贴吧的贴子里定性介绍了多余药室容积的作用

药室容积要适应药形与发射药质量的需要，以传家宝381/L42为例，药室容积的影响
381/L42原设计内弹道计算

换用七孔发射药、不改变发射药质量与药室容积的内弹道计算

似乎与我此前介绍的不符，七孔发射药理应拥有更好的增面性、更好的能量利用率，但是二者的最大膛压与炮口初速相差不大
这是因为适用于无孔发射药的药室容积不适用于七孔发射药
将药室扩张比例降为1.2，调整发射药外径后重新计算七孔发射药的内弹道

膛压曲线出现了平台，在发射药量、最大膛压不变的情况下，将炮口初速一举提高了30m/s
这是由于减少药室容积，即减少了发射药燃气的总容积，依据气体状态方程，这会推高膛压
七孔发射药有效的增面性能利用这一优势，而无孔发射药无法做到这点
采用无孔发射药，将药室扩张比例降为1.2的内弹道

由于最大膛压的限制，减少药室容积后，只能增加无孔发射药的尺寸，降低燃速，最后与大药室的最大膛压、初速相差无几
但是在这一情况下发射药燃烧截止点超过了1，即发射药至炮弹出膛还没有燃尽，这会对精度等性能造成一系列影响。此前已有过介绍

Matlab · 发表于 2024-12-12 13:38

本帖最后由 Matlab 于 2025-1-14 00:16 编辑

德国发射药采用2500K爆温的发射药，而英国采用3100K爆温的发射药，二者的嗑药系数、最大膛压相近
按热传导的观点，理应是德国身管寿命超过英国才是，事实却正好相反

一方面这可能是身管材料、工艺的区别导致的
在NPG-289被翻出来后，发现德国人使用镀铜的烧结铁作为弹带，此前我就猜测是否是因为弹带的材料导致德国身管寿命不佳，此前找不到依据
现在在介绍内弹道的书籍里发现，烧结铁确实对德国身管寿命造成不良影响

英国火炮的爆温与最大膛压均超过了美国火炮，但是二者的身管寿命却几乎相当
除开身管材料、工艺的区别，可能是由于英国火炮的膛线更少；同时英国火炮膛线的缠度更大、缠角更小，弹带对膛线的磨损更小

@seven_nana