[科普中国]-外弹道气象学

概念

外弹道气象学是指研究气象条件影响射弹飞行的规律和实施弹道气象保障理论与方法的学科，是应用气象学的一个分支，也是介于气象学与外弹道学(或发射飞行器飞行原理)之间的一门边缘学科。2

研究内容外弹道气象学的主要研究内容主要有：①与射弹飞行有关的气象问题，如大气的性质，气象要素场的结构，标准大气等。②气象要素及其分布对射弹飞行和命中精度的影响，气象修正的理论和方法。③大气随机扰动(湍流)引起的射弹飞行散布，以及估算弹道散布的理论和方法。④弹道气象探测技术，以及对炮兵射击实施弹道气象保障的理论和技术方法。1

研究意义发射飞行器泛指用特定的发射装置发射的有控和无控飞行器。它们可以是有翼的(例如，滑膛炮炮弹、尾翼式无控火箭弹、导弹等)，也可以是无翼的(例如，枪弹、线膛炮炮弹、涡轮式火箭弹等)。它们的弹体具有旋成体的外形。

外弹道一词最早源于枪弹和炮弹弹道。炮(枪)弹是靠炮(枪)膛内的高压、高温燃气推动向前运动的。炮(枪)弹在膛内的质心运动轨迹称为内弹道，炮(枪)弹脱离炮(枪)口且达到最大速度(或弹丸与发射装置之间的力的相互作用中断)后，其质心的运动轨迹便是外弹道。与炮(枪)弹不同，火箭弹与导弹装有发动机，它们是受发动机推力的驱使起飞并继续飞行的舶。因此，就火箭弹和导弹而言，它们的飞行弹道谈不上有“内"、“外"之分。但是，一些外弹道学著作，基于火箭弹、导弹弹道与炮(抢)弹弹道的许多相似之处，仍习称火箭弹和导弹的弹道为“外弹道”。

无论何种发射飞行器，它们的外弹道总是部分或全部都地在稠密层大气中通过的。因此，发射飞行器的运动便不可避免地要受到不同程度的大气影响。

为了研制出性能良好的发射飞行器，并能在使用中充分发挥它们的效能，发射飞行器的研制，使用人员除精通自己的专业外，还需要对大气科学的有关领域和气象条件对发射飞行器的种种影响具有比较深入的了解；另一方面，气象学工作者针对发射飞行器研制、使用中提出的大气科学问题，给出富有成效的解决途径与方法，也是绝不可少的。这就需要在发射飞行器研制、使用人员，特别是外弹道学(飞行力学)工作者与气象学工作者之间，架设一座相互沟通的桥梁。作为外弹道气象学的一个首要任务，就是要把现代的大气科学成果渗透到外弹道学中，同时阐明外弹道学对大气科学的需求和前者赖以后者发展的基础。2

外弹道气象学研究将进一步改进外弹道气象探测技术和设备，实现沿弹道的快速探测、成果的自动处理和自动传输，完善气象修正理论和方法，研究各种地形条件下气象要素场的结构模型，用常规气象探测数据推断气象要素扰动和估算大气扰动引起的弹道散布的理论、方法，以及改进炮兵野战气象保障技术等。1

许多武器(包括火箭、导弹、地面火炮、航炮、舰炮和炸弹)的射击与气象条件的关系特别密切。外弹道气象学就是研究气象条件对弹箭飞行的影响，以及如何计算和修正这种影响的科学。它在武器设计、试验和实战射击中确着重要的应用。3

运用①基于弹箭外弹道学理论及外弹道气象学理论，建立弹丸在不同风场运动时弹道特性的数学模型.以某型榴弹为例，研究分析不同风场对弹丸弹道特性的影响.仿真结果表明，弹道风对弹丸射程和落速影响较大，对弹丸最大弹道高和飞行时间影响较小，弹道逆风与弹道横风相互作用下对弹丸侧偏影响大于弹道顺风与弹道横风相互作用的影响.4

②大气风场的模型研究及应用是气象学与外弹道学的结合，其应用主要体现于弹道计算中。研究学者从大气物理学、大气动力学出发较深入的探讨了大气各层的不同性质，并针对飞行仿真的需要研究了大气层风场模型。之后又建立了着重考虑风场因素的飞行器运动模型，突出了风速和风速梯度的空气动力效应，并利用数值模拟方法求解不同风场条件下的六自由度弹道方程，分析了风场对飞行器运动的影响。风场建模中，运用工程模拟的方法，针对大气风场的表现形式，确立了平均风模型、典型的风切变工程化模型、阵风模型及大气紊流模型。建立了风场条件下的六自由度弹箭运动模型，把风场模型应用在弹道仿真计算中。分析不同风场条件下弹道参数的变化，为飞行器设计和弹道设计以及大气风场的模拟提供了一些有意义的结果：①从大气动力学方程组出发推导了地转风公式，并用其处理温度网格化数据而得到了地转风。与自由大气层、中高纬度地区的风场对比验证了地转近似的可行性。②考虑了风的时空变化。在平均风模型中，以大量实测资料为基础，考虑季节纬度变化、年变化和昼夜变化，提出了相对准确的大气风场的模型。建立单一风模型，并根据需要将其复合模拟复杂风场。③分析了风速风梯度的空气动力效应。风速会改变飞行器的速度，使其攻角和侧滑角发生变化;风梯度则会产生附加气动力矩影响飞行器的姿态。进而计算出了该附加气动力矩并与动导数的影响一起考虑，建立了风场条件下的六自由度飞行器运动模型。④在不同气象风场下进行弹道仿真计算，结果表明了风场对弹道的落点偏差会产生影响，飞行器速度越大风的影响越小，受静稳定力矩的影响，弹道参数会有周期性的波动。5