火炮身管損傷的研究

蔣澤一，李 強(qiáng)，薄玉成，吳 方

（1.中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051；2.國營847廠，陜西 西安 710000）

0 引言

火炮和自動(dòng)武器是以火藥為能源，利用火藥在管形發(fā)射具內(nèi)燃燒產(chǎn)生的氣體能量發(fā)射彈頭的武器，屬于管射武器的一種。身管是影響和決定彈頭初速、轉(zhuǎn)速、射角和射向的關(guān)鍵零件，也是工作條件最惡劣、壽命最短的零件，在制造工藝上最復(fù)雜、技術(shù)要求最高。

身管損傷導(dǎo)致身管表面狀況和尺寸發(fā)生變化，這種變化使彈丸在膛內(nèi)的運(yùn)動(dòng)失去規(guī)律性和初速下降，造成彈道性能變差、彈丸的散布精度變差、彈丸飛行失穩(wěn)及射程減小。本文將對(duì)身管損傷進(jìn)行詳細(xì)研究，為火炮身管的設(shè)計(jì)、制造提供參考。

1 身管損傷的定義

身管損傷包括身管內(nèi)膛的磨損與燒蝕，它們是身管壽命告終的根本原因，是身管在正常膛壓下射擊的基本失效過程。

火炮身管燒蝕磨損是由于發(fā)射彈丸引起的熱、機(jī)械、化學(xué)等多方面因素同時(shí)作用于身管膛面而產(chǎn)生的一種膛面損壞的復(fù)雜現(xiàn)象，這種損壞現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致膛內(nèi)壓力和彈丸初速的下降、射彈散布增大、射程和精度下降直至報(bào)廢［1］。

身管內(nèi)膛產(chǎn)生磨損和燒蝕的機(jī)理很復(fù)雜，尚未弄清，但總的概念已基本形成。熱作用貫穿始終，冷熱交變應(yīng)力一直存在，身管內(nèi)膛的損傷主要是在射擊過程中，火藥高溫燃?xì)饬骱蛷椡鑼?duì)膛壁金屬直接作用形成的。一般燃?xì)庾饔迷斐傻膿p傷習(xí)慣認(rèn)為是燒蝕，彈丸高速磨削作用造成的損傷認(rèn)為是磨損，燒蝕和磨損之間有一定的關(guān)系，兩個(gè)因素結(jié)合起來，并在冷熱作用下逐步發(fā)展。

2 導(dǎo)致身管損傷的主要因素

身管損傷的原因可分為內(nèi)因和外因兩類。內(nèi)因是槍管內(nèi)膛材料和結(jié)構(gòu)的高溫強(qiáng)度低；外因主要是火藥氣體燃燒時(shí)產(chǎn)生的高溫、高壓、高速氣流作用于膛壁和彈頭，以及彈頭運(yùn)動(dòng)對(duì)膛壁的沖擊、擠壓和摩擦。內(nèi)外因的綜合影響，使射擊時(shí)內(nèi)膛材料組織發(fā)生質(zhì)的變化，引起燒蝕磨損和尺寸變化（口徑增大），使初速下降突增，以致壽終。

2.1 火藥氣體的熱燒蝕

在影響火炮身管內(nèi)膛燒蝕磨損的諸多因素中，熱起主導(dǎo)的作用。發(fā)射時(shí)，膛內(nèi)火藥氣體溫度高達(dá)2 000℃～3 500 ℃，膛面金屬層瞬時(shí)溫度可達(dá)1 000 ℃以上，在這一溫度下身管內(nèi)表面會(huì)形成燒蝕層，使該金屬層質(zhì)地變脆，熔點(diǎn)降低；連續(xù)射擊時(shí)，由于反復(fù)熱－冷循環(huán)，在內(nèi)表面產(chǎn)生燒蝕龜裂紋，隨著射彈數(shù)的增加，裂紋增多增長(zhǎng)并不斷加深，在彈帶與膛面之間形成狹縫，彈后高壓氣體以極高的速度（達(dá)2 000 m／s以上）沖過這些狹縫，又使膛面溫度急劇升高，以致達(dá)到熔點(diǎn)，造成嚴(yán)重沖刷。

2.2 火藥氣體的化學(xué)燒蝕

火炮發(fā)射時(shí)會(huì)產(chǎn)生高溫、高壓，炮管內(nèi)膛會(huì)產(chǎn)生一系列的化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)一步加劇了火炮身管內(nèi)膛的燒蝕磨損。無論是使用高火焰溫度的雙基發(fā)射藥，還是低火焰溫度的單基發(fā)射藥，火炮身管內(nèi)膛表面都會(huì)形成FeO、FeC、FeN 等一些鐵基化合物以及奧氏體、馬氏體等，這些產(chǎn)物的熔點(diǎn)比鋼低250K～300K，會(huì)在低于鋼熔點(diǎn)下熔化，并被火藥氣體沖刷掉［2］?；鹚帤怏w中碳元素濃度增加，降低了鋼的強(qiáng)度和導(dǎo)熱性，導(dǎo)致鋼熔點(diǎn)降低，更易被火藥氣體沖刷掉。

2.3 彈管耦合作用

火炮的初始內(nèi)彈道過程，即從彈丸起動(dòng)至彈帶全部擠進(jìn)身管這一過程對(duì)內(nèi)彈道性能具有重要的影響。彈帶擠進(jìn)坡膛過程中，彈帶和膛面之間的機(jī)械磨損使炮膛直徑增大、藥室增長(zhǎng)；彈丸在膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，陽線的頂部和導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)受到彈帶的機(jī)械磨損使徑向尺寸擴(kuò)大，彈帶及彈體都會(huì)對(duì)炮膛內(nèi)壁表面產(chǎn)生擠壓力和摩擦力，加劇了炮膛的磨損。

3 延長(zhǎng)身管壽命的主要措施

身管損傷是高溫火藥氣體和彈丸對(duì)身管內(nèi)膛的物理、化學(xué)和力學(xué)的綜合作用結(jié)果，可從發(fā)射藥、身管、彈及使用4個(gè)方面采取措施延長(zhǎng)身管壽命。

3.1 發(fā)射藥

3.1.1 裝藥結(jié)構(gòu)

裝藥結(jié)構(gòu)包括隨行裝藥、提高裝填密度等措施。在裝藥結(jié)構(gòu)中加入護(hù)膛襯里、可燃藥筒等吸熱或低放熱元件，使接近膛面的燃?xì)鉁囟冉档汀?/p>

3.1.2 改變發(fā)射藥

（1）用粒狀藥代替管狀藥：由于管狀發(fā)射藥在膛內(nèi)不易流動(dòng)，因此其燃燒時(shí)產(chǎn)生的熱量往往集中在膛線起始部，造成膛線起始部燒蝕磨損更為嚴(yán)重，而粒狀發(fā)射藥在發(fā)射時(shí)隨火藥氣體一起流動(dòng)，可以使熱量均勻分布，緩釋了膛線起始部的高溫，減緩了燒蝕磨損的速率。

（2）液體發(fā)射藥：液體發(fā)射藥是利用液體燃料作為能源的化學(xué)推進(jìn)劑，是利用液體推進(jìn)劑燃燒產(chǎn)生的高壓燃?xì)庾龉硗苿?dòng)彈丸的，分為單元液體發(fā)射藥和雙元液體發(fā)射藥。液體發(fā)射藥的能量比固體發(fā)射藥一般要高30%～50%，可以顯著提高彈丸初速、增大射程。由于液體發(fā)射藥具有低爆溫以及可降低最大膛壓的特點(diǎn)，因此可以有效地減少火炮身管內(nèi)膛的燒蝕磨損。同時(shí)，由于其易于儲(chǔ)存且成本低，越來越受到各國軍方的重視［3］。

3.1.3 添加緩蝕添加劑

為減少內(nèi)膛熱輸入，除從火藥和彈帶上采取措施外，還可以依靠添加劑。緩蝕添加劑可以在發(fā)射瞬間在身管內(nèi)壁形成絕熱、潤滑或冷氣層，能顯著減小火炮內(nèi)膛熱的輸入，是一種有效減小燒蝕磨損的方法。陳永才等人用捏合法制備的含納米添加劑的發(fā)射藥為緩蝕添加劑的發(fā)展提供了一個(gè)新的方向［4］?；鹋诓煌?，彈不同，緩蝕添加劑效果懸殊，所以確定緩蝕機(jī)理，加強(qiáng)緩蝕穩(wěn)定性是發(fā)展緩蝕添加劑的當(dāng)前目標(biāo)。

3.2 身管

3.2.1 身管的設(shè)計(jì)

合理的內(nèi)膛設(shè)計(jì)可使彈丸嵌入膛線時(shí)是逐漸的，而不是突猛的，如用漸速膛線代替常用的等齊膛線。彈丸在整個(gè)膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)應(yīng)當(dāng)由緩而平穩(wěn)加速，承受的壓力比較穩(wěn)定，如用弧形膛線，使陰、陽線之間沒有棱角與突變。

3.2.2 材料的選擇

當(dāng)前火炮向高膛壓、高初速和高射頻發(fā)展，對(duì)材料性能要求越來越高。對(duì)火炮身管材料不但要求有高強(qiáng)度、高韌性，而且要求耐燒蝕、提高壽命。為提高膛面抗燒蝕能力，曾研究了熱強(qiáng)鋼身管、耐熱合金內(nèi)襯和復(fù)層保護(hù)技術(shù)。

3.2.3 制造工藝

從冶金工藝、鍛壓、熱處理、涂鍍層等一系列新工藝、新技術(shù)等方面進(jìn)行有機(jī)配合，進(jìn)一步提高炮鋼材料的綜合性能和炮管的使用壽命。如使用難熔金屬涂鍍層或襯管，使膛面熔點(diǎn)提高。為減少對(duì)炮膛的磨損，正在研究新的材料，如純鐵、陶鐵及工程塑料等。

3.3 彈

為使彈帶切入膛線容易，一些低膛壓線膛炮使用了刻槽彈，由于基本上不存在擠進(jìn)壓力，所以最大膛壓降低。近年來一些火炮的彈丸采用帶凸臺(tái)的彈帶，如舊式85mm 高射炮采用凸臺(tái)彈帶彈丸使壽命提高了兩倍。

3.4 使用

適當(dāng)改變射擊規(guī)程，使身管散熱快、熱容量大，保證一個(gè)射擊循環(huán)內(nèi)的溫升低于材料的相變溫度，如加大相鄰射擊時(shí)間間隔，改連射為點(diǎn)射等。

4 結(jié)論

為適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的需要，各國對(duì)火炮的威力都不斷提出了更高的要求，主要表現(xiàn)在初速提高、射程增大和提高射速等方面。提高初速必然加快身管的內(nèi)膛磨損，而提高發(fā)射速度即連續(xù)射擊時(shí)膛面溫度急劇升高，加上高能發(fā)射藥的應(yīng)用，必然使內(nèi)膛燒蝕加快，身管損傷會(huì)嚴(yán)重影響身管壽命從而阻礙火炮威力的提高，所以對(duì)火炮身管損傷的研究意義重大。

［1］ 張喜發(fā)，盧興華.火炮燒蝕內(nèi)彈道學(xué)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2001.

［2］ 張振山，吳永峰.炮管內(nèi)膛燒蝕磨損現(xiàn)象的分析［J］.裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，17（2）：67－68.

［3］ 程石，孫耀琪.液體發(fā)射藥火炮及其發(fā)展趨勢(shì)［J］.國防技術(shù)基礎(chǔ)，2008（4）：51－54.

［4］ 陳永才，宋道志，王建中.含納米添加劑發(fā)射藥的燒蝕性能研究［J］.兵工學(xué)報(bào)，2007，28（3）：329－331.