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炮弹飞行为何必须依赖空气阻力?这里闪耀着唯物辩证法的光辉
[版面:军事天地2][首篇作者:chinabbsdad] , 2018年07月05日02:28:28 ,402次阅读,1次回复
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发信人: chinabbsdad (张果老他爹), 信区: Military2
标  题: 炮弹飞行为何必须依赖空气阻力?这里闪耀着唯物辩证法的光辉
发信站: BBS 未名空间站 (Thu Jul  5 02:28:28 2018, 美东)

  在很多人印象里,炮弹在飞行时,弹丸轴线便是速度方向,弹轴沿着外弹道切线方
向飞行,也就是以弹丸轴线与外弹道重合的姿态到达目标,炮弹上的机械引信碰击目标
完成对战斗部的作用。其实,弹丸轴线与弹丸的飞行方向,也是有一个非常小的夹角的
,这个角就是攻角。



  攻角的历史最初是源自于固定翼飞机的发明,自莱特兄弟发明飞机以来,攻角的概
念并没有得到广泛的使用,甚至没有明确的定义,但工程师们却也理解机翼的秘密并以
此为经验用于飞行稳定性设计。下图就是机翼的攻角示意图。



  同样,在炮弹的设计中,为了提高射程和提升弹丸飞行稳定性,人类对线膛和滑膛
火炮的探索,到今天已走过了两百年的历程,也得到了很多使弹丸稳定飞行的方法。为
实现弹丸飞行稳定,通常采用两种方法,一种是基于摆动理论的静态稳定,典型例子就
是滑膛炮发射的尾翼稳定脱壳穿甲弹,还有譬如迫击炮弹,折卷弹翼式尾翼弹;另一种
是基于旋转理论的旋转稳定,例如多数线膛火炮。

  通常我们在研究火炮外弹道时,为了使问题简化,会引入一些理想条件,构造一个
理想而基础的外弹道为后续引入各类变量提供理论基础。但在弹丸实际飞行时,它是必
然会偏离理想外弹道的,一是内因,炮弹出膛时的起始扰动。二是外因,火炮射击时的
气象条件造成与理想外弹道的偏离。

  有几个定义需要说明一下,弹丸轴线方向与飞行方向的夹角叫攻角(Attack Angle
),在气动力学中也叫迎角,也可以理解为弹丸轴线与气流作用面的夹角。炮弹飞行方
向与水平方向的夹角叫弹道倾角;弹丸轴线方向与水平方向的夹角叫俯仰角。

  所以,这三者的关系为:攻角+弹道倾角=俯仰角,俯仰角也就是所谓的Pitch角,
当然这个角是肯定非常小的,否则就要失稳了。对于旋转稳定的弹丸,攻角时等于章动
角的。在外弹道学中升力系数是弹丸攻角和马赫数的函数,简言之,攻角是炮弹在飞行
时所必需的。下图便直观显示了攻角、弹道倾角和俯仰角的关系。



图片:攻角的示意图。

  当攻角为零时,从以速度矢量为x轴的三维弹道坐标系来看,全弹法向力将为负值
,对弹体飞行将造成不利影响。对于有些特殊情况,譬如某些击顶反坦克导弹来说,在
末端弹道时弹体姿态折转后,可能会出现攻角为零的情况,这就不属于一般炮弹的范畴
了。

  当攻角不为零时,即弹丸轴线与速度方向不重合时,由于攻角的存在,迎面气流并
不作用于弹丸轴线,以至于对弹丸的作用轴并不对称,由此弹丸迎风面积变大,空气的
阻滞作用增强,迎气流面的激波大于背气流面,不论是在亚音速还是在超音速段,总的
空气阻力将由于攻角的存在而显著增大,此时空气阻力既不与弹丸轴线共线反向,也不
与速度方向共线反向。而是空气阻力沿弹丸的速度方向和垂直于速度方向的方向产生了
分量,这两个分量,便是切向阻力和升力。

  升力和空气阻力的大小一般是由弹形,飞行速度,空气密度函数和升力系数等因素
共同决定。当攻角较小时,升力系数和攻角呈近似线性关系,很显然,当攻角为零时,
空气阻力是无法提供升力的。尾翼稳定弹的升力系数和旋转稳定弹的升力系数随攻角的
变化曲线是不一样的,但是变化趋势是差不多的,升力系数也不是个定值,它会随着飞
行器马赫数的增大而变小。对于存速能力较高的弹药来说,攻角是相当小的,譬如以下
图的美军的M829系列尾翼稳定脱壳穿甲弹为例,在飞行中其只有小于等于2度的攻角,
甚至约等于0度。



  对于有些导弹等攻角较大的飞行器,升力系数往往与攻角的三角函数有关,这里不
多赘述,深究的话书上都能找到。很多飞行器譬如固定翼飞机和导弹同样也需要攻角来
提供升力。攻角也不可能随便的变大,如果大到了一定程度,超过了失速临界角,升力
系数将会变小,以有翼导弹或者飞机为例,当攻角过大时,翼面下方将会产生涡流,上
下翼面将失去压力差而使翼面失去升力导致失速。



  作为对比,图为我国的某型巡航导弹的动态图可以看到较大攻角。

  说到这,可能有小伙伴就有疑问了,火炮发射时,由于攻角的存在,为什么没有迎
面而来的相对速度很高的气流把炮弹吹了失稳或者翻掉发生?

  这里就要讨论弹丸的受力了。由于攻角的存在,空气阻力既从速度方向施与了阻力
,同时也在垂直于速度方向上为飞行的弹丸提供了升力。空气阻力作用对质心形成的阻
力矩是一个使攻角减小的力矩,起到一种类似阻尼的作用,使弹丸摆动的幅度逐渐变小
,保证了炮弹飞行平衡稳定。



  图为攻角不为零时旋转稳定弹丸的气体动力示意图(尾翼稳定弹同理,只不过质心
位置在压力中心前面)。



图片:旋转稳定弹的进动与章动的收敛过程。



  攻角能提供升力,但攻角的大小对弹丸飞行稳定的影响因素还有很多,譬如它能影
响旋转弹的马格努斯力的大小(就像是足球场上会拐弯的香蕉球)。换言之,当攻角为
零时,炮弹在飞行时是无法通过空气阻力获得升力的,也就是空气阻力为弹丸飞行提供
了升力。所以,没有攻角,弹丸是不能获得稳定飞行所需要的升力,而过大的攻角则会
有较大的迎风面让阻力增加。正所谓不破不立,只有增加阻力才能获得升力,这透露着
唯物辩证法的光辉。


--
自从来了互联网,
竹幕后的人民见了太阳!
别看现在是黑夜,
不久就要大天亮!
※ 修改:·chinabbsdad 於 Jul  5 02:57:21 2018 修改本文·[FROM: 74.]
※ 来源:·WWW 未名空间站 网址:mitbbs.com 移动:在应用商店搜索未名空间·[FROM: 65.]

 
airglacier
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发信人: airglacier (带娃先锋), 信区: Military2
标  题: Re: 炮弹飞行为何必须依赖空气阻力?这里闪耀着唯物辩证法的光辉
发信站: BBS 未名空间站 (Thu Jul  5 13:49:38 2018, 美东)

尼玛,奇文啊
--
※ 来源:·WWW 未名空间站 网址:mitbbs.com 移动:在应用商店搜索未名空间·[FROM: 73.]

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