弹道学

更新时间:2022-08-25 12:01

弹道学(ballistics) 研究弹丸或其他发射体运动规律及伴随发生有关现象的学科。应用力学的一个分支。弹道学一词源于公元前3世纪的古希腊,原意是设计、制造和使用投掷装置的理论和技术。弹道是指弹丸或其他发射体质心运动的轨迹。随着武器的进步、基础科学和测试技术的发展,弹道学的研究对象逐步扩展到发射全过程的各个方面。从发射装药的点火、燃烧、高温高压气体对发射体的作用,弹丸或其他发射体的空中运动,对目标的作用,以及伴随出现的各种现象等,使弹道学逐渐发展成为涉及刚体动力学气体动力学空气动力学弹塑性力学化学热力学以及燃烧理论、爆炸动力学、撞击动力学、优化理论、计算技术和试验技术等多领域的综合性学科。随着科学技术的发展,弹道学在高速、高温、高压、瞬态现象的研究中,也为民用领域提供了理论、方法和实验技术。

弹道学是研究各种弹丸或其他发射体从发射开始到终点的运动规律及伴随发生的有关现象的学科。早期的弹道学仅局限于研究质心运动轨迹的力学范畴。随着武器的进步、基础科学和测试技术的发展,弹道学的研究对象逐步扩展到发射全过程的各个方面。从发射装药的点火、燃烧、高温高压燃气的产生与膨胀作功,弹丸或其他发射体的运动,对目标的作用,以及伴随出现的各种现象等,大大丰富了弹道学的研究内容,使之逐渐发展成为涉及刚体动力学、气体动力学、空气动力学、弹塑性力学化学热力学以及燃烧理论、爆炸动力学撞击动力学、优化理论和现代计算技术等学术领域的综合性学科。

弹道划分

射击武器大都以火药为能源,由于发射作用原理的不同而有两种典型的发射方式。一种是身管武器(枪炮)密闭系统的发射方式,它利用高压火药燃气的膨胀作用在身管内推动弹丸以一定的速度射出膛口;另一种是火箭半密闭系统的发射方式,它利用高压火药燃气从火箭发动机喷管流出所产生的反作用力,推动战斗部连同发动机一起飞离发射器。根据这两种发射方式的不同,弹道学相应地分为身管武器(枪炮)弹道学和火箭弹道学。

根据射击过程不同阶段的物理现象,身管武器(枪炮)弹丸运动的全过程可划分为5个弹道阶段及相应的研究领域:①起始弹道。研究从击发开始到弹丸的弹带全部挤进膛线,或克服其他起动阻力这一阶段中,点火药的点火与传火、装药燃烧、弹丸挤进过程以及压力波的形成与发展等规律及有关现象。②膛内弹道。研究从弹丸的弹带全部挤进膛线到弹丸飞出膛口这一阶段的弹丸运动、火药燃烧、物质流动以及能量转换等规律及有关现象。③中间弹道。研究从弹丸出膛口到脱离火药燃气的力学影响这一阶段的膛口流场对弹丸运动规律的影响,以及伴随膛内火药燃气排空过程发生的有关现象。④膛外弹道。研究弹丸在脱离膛口流场影响之后,在空中飞行的运动规律以及有关现象。⑤终点弹道。研究弹丸在目标区域发生的现象与运动规律,对目标的作用(如爆炸、冲击、侵彻等)机理及威力效应等。

身管武器弹丸运动的5个弹道阶段,组成了一个完整的弹道体系。在这个体系中,起始弹道通过装药的点火燃烧及弹丸挤进膛线等起始条件,直接影响内弹道规律;内弹道又通过弹丸的初速、膛内弹丸的运动状态、枪炮身的振动和炮口膛压等因素,影响中间弹道进而影响外弹道;而外弹道则通过弹丸的落速、落角等因素影响终点弹道,从而密切地联系在一起,并体现出全弹道的整体概念。

历史发展

从早期的弹道学扩展到各分支学科的形成,经历了两个多世纪。最初是以身管武器的膛口为界,划分为膛内弹道学和膛外弹道学;经过一个多世纪的发展,到19世纪后期,才初步完善了各自的学科体系。介于其间的膛口现象研究,原先仅作为内弹道现象的延续。随着对武器的威力和射击精度要求不断提高,以及应用膛口装置之后,膛口气流的利用及有害现象的抑制等问题的出现,促使对膛口气流的研究日益受到重视,而气体动力学理论、计算技术以及流场测试技术的相继发展,又为这方面的研究提供了必要的条件。20世纪60年代以后,这一新领域的研究,已从内弹道学中分化出来,形成了中间弹道学学科。弹道起始段的研究,虽然原来也是属于内弹道学的一个组成部分,但随着武器向高初速、高膛压及高装填密度方向发展的需要,发射装药起始燃烧阶段对射击安全性和弹道稳定性等的重要影响,日益受到重视,而现代燃烧理论、内弹道两相流理论以及脉冲X光测试技术等也为这方面的研究提供了必要的条件,使这个领域研究的深度和广度都在不断发展,起始弹道学也逐渐地从内弹道学中分化出来自成体系。终点弹道学的研究虽然早在19世纪前期即已兴起,但是它的发展进程同中间弹道学的情况一样,也是20世纪中期在有关基础学科和测试技术发展的推动下,才逐渐形成了较完整的学科体系。

火箭弹道学是在第二次世界大战前后,随着火箭武器的迅速发展,而相应地得到发展,并形成了自己的学科体系。根据其弹道现象的特征,可划分为火箭内弹道学火箭外弹道学两个分支学科,前者主要研究固体火箭发动机内部所发生的推进剂燃烧及燃烧产物流动的现象与规律;后者则主要研究火箭的运动、飞行稳定性及扰动运动等现象与规律。火箭内弹道学与身管武器内弹道学统称为内弹道学;火箭外弹道学与身管武器外弹道学统称为外弹道学。

发展

在弹道学体系的基础上,根据应用条件的特殊性,还派生出各种新的分支学科。例如,由于水的介质密度大于空气而可压缩性小于空气,水中发射有其特殊的弹道规律,因而,随着水中兵器的发展而形成了水中弹道学;随着航空航天技术的发展,而形成了航空弹道学和大气外层的太空弹道学(或地球弹道学);随着导弹的发展而形成了导弹弹道学等。此外,还有研究在短时间和近距离内发射重载物的弹射弹道学;研究投射物对人体致伤作用与机理的创伤弹道学等。

弹道学体系各分支学科及其一些重要理论的形成与发展,往往取决于某些弹道实验技术的发展。这是由于弹道学的研究对象比较复杂,一般都具有高压、高温、高速和瞬时性等特点,有关参数的测量必须使用专门的仪器与设施,从而逐渐发展并形成了实验弹道学。这个学科是弹道学体系的一个重要组成部分,每个弹道阶段都有其相应的弹道实验。

由于弹道现象的复杂性,导致了理论研究及计算的困难,影响了弹道学的发展。自从1946年美国阿伯丁武器试验场创建了第一代电子计算机之后,弹道学的研究才取得了突破性的进展。电子计算机的迅速发展,对中间弹道学终点弹道学这两个分支,以及内弹道气动力理论体系的形成和发展,也都起了巨大的推动作用。各个分支学科都建立了求解各自问题的数学模型和计算程序。为了适应全弹道体系发展的需要,计算弹道学也逐步发展成专门的分支学科。

我国发展

解放前,中国弹道学有了初步基础,张述祖等老一辈弹道学家苦苦追求,坎坎坷坷,但生于乱世,弹道学难有大的发展。当时南京还有个弹道研究所,所长是留德的潘景安教授。解放后,中国的一批优秀的弹道学家集中在哈军工,如张述祖、潘景安、鲍廷钰、浦发等人。军工分建后,弹道学也随炮工南迁。“文革”结束后,华工几位老教授联名给邓小平写信,阐述了弹道学的重要性,希望成立弹道研究所。邓小平很重视这个意见,所收到的信批转张爱萍。1980年,华工成立了弹道研究所,首任所长是鲍廷钰教授。1981年,华工建立弹道系,中国的弹道学又在南京发展起来。

李鸿志在鲍廷钰、浦发等老教授的指导下,经过多年的科研实践和持之以恒的探索,在传统的弹道体系中开辟了中国弹道学这一学科分支,1985年他继曲作家之后任弹道所所长,进一步理顺弹道学的学科分支关系,把弹道学分成七个分支学科。

20世纪80年代初,中国实施改革开放的国策,国际间的学术交流日趋频繁,但是,国际弹道学组织仍然没有改变对中国长期排斥的态度。1986年,国际弹道学会在美国召开,之前,李鸿志等人向大会组织者寄去了论文,会议执行主席是美国弹道研究所所长,他复函邀请中国代表参加。李鸿志等中国代表到达美国之后,竟然被拒于会场之外,原因是美国国防部基于所谓“国家安全方面”的理由,不允许共产党中国的代表接触会议的学术交流。大国霸权主义强加于中国代表团的屈辱令李鸿志感到锥心砭骨的刺痛和愤怒。

为了打破美国人的封锁,使中国的弹道学走向世界,1988年,南京理工大学作为发起单位,在中国成功地组织召开了“国际弹道学学术讨论会”,有德国、法国、比利时等10多个国家的150多位学者齐集石头城出席这次大会。担任会议主席的李鸿志特别邀请美国弹道学研究所所长那位对中国友好的老先生来华参加会议,美国老先生一再道歉,对上次美国人的不光彩表演表示遗憾。通过这次南京会议的交流和参观,国际弹道界了解到中国弹道学取得的成就。

下一届国际弹道学会主席、比利时皇家弹道学会议成员国主席当时就邀请中国代表参加。1989年,中国被接纳为国际弹道学会议成员国,每一次会议,中国都有代表参加。

多年来的国际学术交流,李鸿志和南理工的专家们先后对美国、德国、丹麦、奥地利、英国的有关弹道机构及当今世界一些著名的弹道学家就弹道靶道建设问题进行了深入的研究,并了解到日本防卫厅建设的靶道可以代表当今世界弹道学水平。于是,他们将收集到的技术指标及总体方案作为南理工重点实验室的建设追赶目标,并充分利用计算机、通讯、传感、光电等领域的最新成就,争取建成仪器设备和测试系统总体功能较强,整体水平较高的重点实验室。

1990年,国防科工委决定建设一批国防科技重点实验室李鸿志意识到这是推进中国弹道学发展的一次极其难得的机遇,他迅速组织人员进行可行性调研和论证,申报报告先后八易其稿。1991年9月,国防科工委批准在南京理工大学建设弹道国防科技重点实验室,李鸿志被任命为该实验室主任,主持实施实验室的建设任务。弹道重点实验室的重头戏是建设综合弹道靶道(长靶道)和专用弹道靶道(短靶道)。

上级只批下300万元建设费用,1992年国内建材望风见涨,240米长的靶道要用几千吨钢材和水泥,一下就超支800万元。这可难住了李鸿志,上级说了,你把实验室建成以后再补钱,好在全校一盘棋,南理工东拼西凑,硬垫进了1000万元。为了节省经费,实验室自行研制各种设备230套,综合测试与分析系统的设备自研率高达93%。

1994年6月,在国家验收的关键时候,发现电磁干扰严重,实验室的年轻人打着赤膊,昼夜排查,终于找出问题。三年的心血,雄踞学校一隅的庞然大物终于顺利通过国家验收,专家委员会一致认为:该实验室功能齐全,设备精良,实力雄厚,其总体水平达到了国际上90年代同类实验室先进水平,是亚洲最大的靶道。南理工科技人员自力更生、顽强拼搏的精神深深感动了上百名专家和上级领导,国防科工委和兵器工业总公司很快决定增拨不足的实验室建设经费,2400万元的总建设费用全部补齐。

南京理工大学的弹道国防科技重点实验室作为远东最大的弹道学研究和实验基地,为中国国防基础研究提供了强有力的实验手段,也为培养弹道学高层次人才提供了良好的治学条件,南理工依托“211工程”的支持,引进俄罗斯的装备,继续完善实验室的建设,使之保持国际的先进水平。《弹道学报》作为国内核心期刊,公开对外发行,已成为继美国之后,国际上第二家弹道学的权威学报。

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