注:图书馆找书查的,属于纸上谈兵。
妖猫在《旧日本陆海军的火箭武器》中做过这么一个推测,51式90毫米反坦克火箭筒可能来源于日本“试制四式90毫米伞兵反坦克火箭筒”,那真实的情况到底是怎样的?
因为完全没有历史资料,所以,只好从火箭弹的原理进行推测。
在无控火箭中,其主要部件是发动机和战斗部;发动机包括燃烧室和喷管,战斗部包括引信。
火箭发动机
无控火箭发动机很简单,就是一个作为发射装药在其中燃烧的燃烧室的外壳。外壳前端封闭,结合在战斗部上,里边装有点火管,后端装有喷管。发动机外壳必须具有足够强度,以承受发射药燃烧时产生的高温和高压。如果发射时外壳容易弯曲或者外壳的形状不好都会增加火箭在目标上的散布。
推进剂和点火管
无控火箭一般多使用固体推进剂,避免使用液体推进剂,尽管液体推进剂也可以使用。不论是就推进剂产生的能量或是就其性能来说,液体推进剂都具有一定的优点。但是,使用液体推进剂的主要不利处是它将增加火箭发动机结构复杂性;与此同时,也相应增加了火箭的成本。固体推进剂尽管产生的能量不高,对给定性能来说重量较大,但使用时简单、可靠,因此,人们往往选用固体推进剂。然而,由于液体推进剂能产生较高的能量,燃烧持续时间长,并适应于断续控制使用,所以,一般在远程制导武器上被广泛使用。
对使用固体推进剂的火箭来说,其点火装置是很重要的。它们通常用电点火管。点火装置必须安放在使发射装药能在所有可燃表面上同时开始燃烧。因此,这种点火装置一般都较大,并放在装药前端以使点火火苗向后移动至喷孔的同时能经过发射装药的全部外露面积。
喷管
无控火箭使用的一般喷管类型是收敛-扩散型喷管,有时也叫拉瓦尔喷管。使用喷管的目的在于把热能和压力能量转换成动能。喷管形状之所以能作到这种转换主要
是因为喷管具有一段使燃烧气体外泄的、横断面积逐渐减小的开孔。由于流过喷管的气体质量流量是个恒定的值,所以气流逐渐被加速。当气流流出喷管窄狭段,即
从喷管喉部排出时气体膨胀,温度和压力降低,从而获得了高速。燃料气体具有的推力就是由流经喷管时气体动量的变化产生的,这种动量变化对火箭形成了一种推
动力。
注:动量=mv ,质量不变,但是速度增加,动量增加。
火箭的一般原理
如果把某种气体经过压缩置放在密封管里,则气体作用在管壁各个方向上的压力将是大小相等、方向相反的(见图7.1)。如果在管子的一端开有缺口如火箭那
样,且气体压力是靠推进剂的燃烧来维持,则气体作用到密封端的压力将大于开口端,在图7.2中用虚线表示的压缩能量将消耗在赋予逸出气体速度上。逸出气体
的作用是使火箭向封闭端方向移动。但是,由于逸出气体的质量小于火箭的质量,所以火箭将在与逸出气体运动方向相反的方向上,以较小速度运动(相对逸出气体的速度)。
在上述条件下,控制火箭运动的原理就是“线性动量守恒”定律:即 线性动量=质量×速度
火箭加速度值可由下式算得:
火箭加速度直接与燃料消耗速度成正比 。此外,如果燃料能以恒速燃烧则火箭加速度将随使用燃料数量的增加而增加。逸出气体具有的速度越大,火箭得到的速度也越大。逸出气体速度视火箭使用的燃料,燃料燃烧时的压力和火箭的排气条件而异。所谓排气条件就是指燃料气体从火箭开口端排出时的条件。在这些因素中尽管上述各个因素都很重要,但是其中可能以所用燃料一项最为重要。
注:都是初、高中物理的知识,不要说不会算啊。
火箭可能达到的最大速度的计算式如下:
该最大速度值与燃料消耗速率无关;不管火箭本身在加速过程中其加速度的大小如何,火箭最终将达到同样的最大速度值。对火箭可能达到的最大速度值来说,与其
有关的最重要的参数是逸出气体的速度和燃料在火箭中的总的重量比。此外,在火箭的一般特性中,还有两个特性值得注意。其中一个是火箭具有的推动力不受火箭
速度的影响;另一个是火箭具有的推力与大气无关 ( 火箭自带推动气体 )。
发射装置
火箭发射装置是支承和使火箭瞄准的装置。由于火箭是靠气体后喷向前推进,在发射架上除了火箭和导轨间的少量摩擦外不存在很大后坐力。如果要使发射架在火箭发射时不存在任何后坐力,就必须使火箭逸出气体在向后面喷出时不受发射架的任何阻抑。
当火箭沿导轨运动如果导轨很长则导轨很易产生偏移,为了缩小火箭散布范围,对发射架导轨长度的效能来说,火箭在导轨上的运行时间与火箭发动机燃烧时间的比值是很关键的。火箭在导轨上的运行时间可用下式表示:
其中:
t=火箭在导轨上的运行时间
S=导轨长
a=火箭的加速度
显然,用燃烧时间短,加速度大的火箭发动机将是有利的。只要能满足上述要求,较短的导轨也足够用的。
注:其实火箭筒的设计,主要是弹的事,和身管没啥特别大的关系。
火箭弹和炮弹的区别
推力角偏差
当火炮弹丸离开炮口并脱离从炮口喷出的气体作用范围以后,影响弹道形状的作用力将只有风力、空气阻力和重力。如果炮弹的旋转能保证飞行稳定性则只有风力和偏流是使得炮弹偏离射向的主要因素。这两个使炮弹偏离射向的因素都能在射击前计算出来。而火箭则不同,促使火箭运动的推力主要是在火箭离开发射装置后由火箭发动机提供的。如果该推力方向不通过火箭重心就会有“推力角偏差”的出现。除非火箭旋转,不然这种角偏差将使火箭在射向上产生相当大的偏差。
当年724厂遇到的问题,参考《中国科学技术专家传略 徐兰如 词条》,原句照抄如下:
1950年4月,徐兰如奉调到沈阳724厂时,正值该厂试制的A3
式火箭弹(射程为4000米)遇到了问题。在靶场试射中散布极乱,固体推进剂也发生过几起爆炸。工厂很是着急,成立了由7位专家组成的火箭弹研究小组,组
织攻关。徐兰如是这个小组的副组长(组长是吕去病)。他们很快投入故障分析,弄清了引起爆炸及散布度大的主要原因是燃烧室压力过低,双基药柱未加安定剂,
导致燃烧不正常,喷射的火焰很不稳定,活动式尾翼也难保证火箭弹稳定飞行。随即拟定固体火箭弹的修改方案:改用斜倾式多喷管,得到旋转稳定,改善了射击精
度;同时,加大药面比,以保持在低温时的燃烧室压力达到稳定喷射。并在李乃暨主持下,推进剂中加了安定剂和软化剂,控制压制过程的温度,得到稳定燃烧的推
进剂。设计成旋转稳定式固体火箭弹。注:吕去病是60迫击炮的发明人,也就是身管是吕去病负责,火箭弹是徐兰如负责。为什么要一位擅长设计迫击炮的设计者为组长,这可能和钟林早年仿制过铁拳有关,铁拳的弹道是弯曲的和迫击炮类似,也就是说当时他们对火箭筒的原理没有深刻的认识。
他们当时遇到的问题技术分析
如果火箭制作准确,火箭推力能准确地对正并通过火箭重心,则火箭在目标上的散布将大为减小。但是,实际上这是很难做到的。它不仅是个如何将推进剂置中,使推进剂与火箭共中心轴的问题,而且跟喷管的喷孔中心和喷出气体的推力轴是否与火箭重心对正也有关系。另外,除非火箭外壳完全对称,不然在火箭发动机高内压气体作用下外壳可能弯曲,因此,这里必须强调外壳的机械公差。外壳弯曲还可由于火箭发动机加热不对称引起。如果在火箭上出现推力角偏差,火箭将出现转动和摆动。为减少推力角偏差,火箭在设计上应力求仔细,在制造上力求公差精确;当然,这将增加火箭成本。
火箭弹制造的关键就是精确,不然推力方向不通过火箭重心,就根本谈不上沿着一定的方向运动了。
双基药柱未加安定剂,
导致燃烧不正常,喷射的火焰很不稳定,这个没啥说的,燃烧不稳定,火一会儿大,一会儿小,谁知道火箭弹将会朝那个方向跑。虽然上面没写,但是我估计当年的外壳加工精度也不行。
既然加工精度不行,那么减少推力角偏差影响的另一种办法是使火箭在发射时或发射后具有缓慢旋转和减少发动机燃烧时间。如果发动机燃烧时间很短,由推力角偏差引起的散布也会相应减少。无控火箭的发动机燃烧时间一般约1-3秒,如果能更短当然更好。但是,总的说来,燃烧时间越短发动机气体压力往往越大,这就需要用一个又重又笨的外壳。缩短火箭发动机燃烧时间对减小地表横风对火箭的影响也有好处。
总结起来解决方案是这么几条:
1、减少发动机燃烧时间,
加大药面比,以保持在低温时的燃烧室压力达到稳定喷射,解决
燃烧室压力过低的问题。
2、
没有尾翼的自旋稳定,解决加工精度误差的问题。
3、
推进剂中加了安定剂,使得燃烧曲线更为平稳。为使固体发射药燃烧均匀而平稳,可在发射药中加入一定量的铅盐,使其燃烧性能如图4.9压力-燃速曲线所示,有一平台特性段,此即称平台化。
诺,最后造出来的东西就是这个。
其实关键点就这么几块,壳子、喷管、助推气体的稳定喷射,火箭发射药的消耗速度(燃速),没了。
火箭发射药的消耗速度(燃速)是决定推力、加速度和燃烧时间的重要参数。
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回到我们的问题,那51式90毫米反坦克火箭筒 是日本的知识产权吗?
从外形上看,确实不好分辨,而我既没有中方的资料,也没有日方的资料,难道真的就没有办法了吗?
我们知道火箭弹最重要的是装药,而设计火箭弹的两个因素:助推气体的稳定喷射,火箭发射药的消耗速度(燃速)都与装药有关,而妖猫提出的最有力证据就是昭和12年,秋山健一 摸索出了无溶剂法制备双基药的工艺。
那么是不是火箭弹一定要用干法双基药呢?干法双基药和湿法双基药区别又在哪里呢?
胶质火药是纤维素硝酸脂与溶剂以及其他附和物混合在一起,用一定方法制成的胶体物质,是现代枪炮弹的发射药。其燃烧时能产生大量的高温高压气体推动弹头做功,讲弹头从膛内发射出去。由于胶质火药不像黑火药那样燃烧时会产生大量的烟,所以也被成为
无烟火药。
胶质火药按照成分的不同,可以分为单基药和
双基药两种:
1、单基药
单基药的正式名称是硝化纤维素火药,是用乙醇和乙醚的混合溶剂使硝化纤维素(纤维素硝酸脂)溶解并且胶化而制成的火药。这种火药,其中的硝化纤维素如果是由面纤维素制成的硝酸脂即硝化棉,则成为硝化棉火药。如果是由木纤维素制成的硝酸脂即硝化木质纤维素,则成为硝化木质纤维素火药。通常使用的是硝化棉火药。
之所以称这种火药为单基药,是因为在这种火药中,能量的来源仅为成分中的纤维素硝酸脂,溶剂并不是能量来源,故成为单基药。因为这种火药在胶化过程中所用的乙醚乙醇溶剂都是挥发性溶剂,因此也成为挥发性溶剂火药。
2、双基药
双基药顾名思意就是火药的能量来源有两种成分的火药。一种还是纤维素硝酸脂,而另一种则是溶剂。和单基药不同,双基药的溶剂也是能量来源。按照溶剂的不同双基药主要分成两种,一种叫做硝化甘油火药,它是硝化棉溶解在硝化甘油中制成的火药,还有一种叫做硝化二乙二醇火药,是硝化棉溶解在硝化二乙二醇中制成的火药。因为作为溶剂的硝化甘油和硝化二乙二醇都是难以挥发的无知,所以双基药又叫作难挥发性溶剂火药。
硝化甘油火药还可以分成两类:一类叫巴力斯特型火药,这类火药用含氮量较低的硝化棉溶解在硝化甘油中制成;另一种叫做柯达型火药,用含氮量较高的硝化棉溶解在硝化甘油中制成。因为含氮量较高的硝化棉难溶于硝化甘油,所以需要用丙酮作为辅助溶剂。
发射药有三种基本的制造方法,简述如下。
溶剂法。硝化纤维单基发射药用湿法生产,即用酒精脱水并用乙醚胶化,最后形成的胶结状面团经模具挤压成形后再切断与干燥。制作双基和三基发射药时,先把硝化纤维和硝化甘油在水中混匀,干燥成糊状后再将含有其它组分并以丙酮及水为溶剂的掺和物混入糊状物中间产物内,使其呈面团状,然后再将面团挤压成所要求的形状。最终的干燥工序需几天甚至几星期,需用较多的时间和空间。
半溶剂法。半溶剂法除溶剂改为纯丙酮外,在混入掺合物以前的工序均与溶剂法相似。该法对单基、双基和三基发射药的生产均适用。混入掺和物后的面团状中间产品,经过滤板挤压成适当大小的条状物后进行干燥以减少所含溶剂,在最后挤压前再经热滚轧使发射药呈片状;挤压后经烘干以去除剩余溶剂。半溶剂法需用溶剂较少。因而发射药弹道性能也较好。
无溶剂法。无溶剂法仅适用于生产双基发射药,该法以加热和机械法取代溶剂而使硝化纤维胶化。所形成的糊状中间产物在挤压前先经干燥和压延,故挤压形成的最后药形尺寸比前两种制造方法更为准确。但用此法生产时药粒尺寸受一定限制。
火箭发射药和火炮发射药并无多大区别,通过前面的分析,我们已经明白了,之所以用干法而不用湿法制造双基药,是因为火箭用药对精确度要求高,湿法生产挤压成型,干燥后会有一定的变形。但是采用自旋稳定后,这个已经不重要了,自旋稳定的关键点在于,减少发动机燃烧时间,也就是说要
加大药面比,解决
燃烧室压力过低的问题,保证在低温时的燃烧室压力达到稳定喷射(朝鲜的气候比较寒冷)。 火箭的散布受火箭推进剂燃烧速度变化的影响。即使是推进剂燃烧速度变化很小,它使火箭在推进剂最后燃尽时的速度也显著不同。对典型的使用固体推进剂的无控火箭来说,
无论是推进剂的形状或其装入火箭的方式或位置都要考虑使其能在尽量大的面积上同时点着。常用的推进剂的形状都有较大的燃烧表面积,如空心药柱、多个空心药柱等。此外,火箭推进剂的装药重量是逐批进行调整正的,以保证其有相同的弹道性能。
装药的燃烧速度受温度和压力影响:温度越高、压力越大,则燃烧速度也越快。在极端情况下如果火箭以高于设计规定的温度射击时,压力将很快增加使得喷管来不及释放,以致使火箭散布增大,甚至使火箭外壳损坏。与此相似,
如果火箭在低于设计规定的温度下射击,则装药燃烧缓慢,散布增大且射程缩短逐发不一。 也就是说,真正的问题是加大
燃烧表面积,空心药柱的问题。在仿制中,工程师王道周设计了梅花形粒状发射药,而巴祖卡60mm火箭筒装药结构为5根单孔双基药柱。
综上所述,51式90毫米反坦克火箭筒 是中国人自己的知识产权,普通的火炮用药 湿法双基药 就可以使用。
在中国兵器工业集团公司 网站上《
新中国最早的兵器专业科研机构》一文中说,
先后用湿法与干压制法研制成功了火箭发射药,这个记述应该是正确的。
http://www.cngc.com.cn/cn/newsdetail.aspx?id=19468&type=54
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最后说一下,为什么采用电击发?
由发射装置引起的误差
影响火箭发射精度的一个主要误差来源是火箭齐射或连射时产生的发射装置的不稳定性。尽管我们说发射火箭没有后坐,但发射时火箭发射系统总是有些移动,因而影响系统瞄准,结果使火箭在目标上的散布增大。
火箭弹使用机械撞击,实在是不合适。
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传统认识的以讹传讹,传统认识一般认为火箭的制造要求低,实际上,恰恰相反,火箭的加工精度要比炮弹高的多。
那为什么采用火箭这种兵器呢,除了战术原因,在技术上的原因是,材料和装药实验周期过长,再加上我们在火炮、坦克和西方国家、苏联的差距,实在是太大了。
两害相比取其轻,所以,我们采用了提高加工精度这一短期内可以提高兵器战术能力的办法,来避开我们材料、火箭燃料上的差距。红旗-9就是由于
固体燃料火箭技术不成熟导致该导弹尺寸过大。
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二战期间美国的火箭推进剂 (摘自《火药简史》)
尽管美国改进常规武器发射药的工作充满艰辛, 而发展适合的火箭推进剂更是困难重重. 从一开始人们就认为单基药缺乏足够的能量, 必须使用双基药. 采用溶剂法制造双基药在美国已沿用多年. 用丙酮-乙醇溶液胶化双基药, 制成所需的形状. 大约1939年, Hercules发明了一种无溶剂双基药的制法, 通过加温加压然后辊压成片状, 用作迫击炮附加药. 但是火箭推进剂要求棒状或颗粒状, 没有片状, 而且必须有稳定的燃烧速率, 不能有过多裂纹. 哪怕是一点细小的裂纹, 都会引起压力的波动, 继而引发爆炸或偏航. 因此, 用溶剂法制备的安全可用的推进剂, 意味着必须采用小截面药粒, 这样干燥后的变形较小而且容易检查疵病. 30年代末英国发明了用干式挤压法制造无溶剂双基推进剂. 这种制法要求采用重型挤压机, 将发射药挤压成所需形状.
最后,老大是利用挤压弹体的水压机,压制出固体火箭推进剂。
《解密抗美援朝时期的中国兵器工业》一文中说,1950年11月,在钟林副部长的指导下,成立了以吕去病为组长的研制小组,开始了90mm火箭弹研制工作。仅用两个月,就设计出135式90mm
涡轮式火箭弹,射程1000米,可穿
透100mm装甲。1951年3月生产出了几十发到前线进行实战试验,随后志愿军随即派了一个排来厂坐催,东北军区炮兵司令万毅也来厂督促。工厂紧急投
产,生产出一万枚送往前线。
说明当时已经很急了,用干法产,产量不可能得到保证。