關(guān)于火炮身管燒蝕磨損與壽命問題的研究

薛劍博

【摘要】在火炮壽命的眾多制約因素當(dāng)中，身管的內(nèi)膛燒蝕是十分主要的一個(gè)制約因素，同時(shí)，身管的內(nèi)膛燒蝕還會(huì)對(duì)火炮的戰(zhàn)斗作用能力有著很大的影響，因此，對(duì)于火炮身管燒蝕磨損與壽命問題的研究是很有必要的。本文結(jié)合多種理論技術(shù)，對(duì)實(shí)際的火炮發(fā)射過程當(dāng)中，造成的身管燒蝕磨損與壽命問題進(jìn)行了研究。

【關(guān)鍵詞】火炮內(nèi)彈道；燒蝕磨損；數(shù)值分析

作為常規(guī)武器，火炮是戰(zhàn)斗當(dāng)中應(yīng)用最為廣泛的武器之一，火炮的炮身壽命直接影響其所在部隊(duì)的戰(zhàn)斗力。而在火炮炮身壽命的眾多制約因素之中，身管的內(nèi)膛燒蝕是最為關(guān)鍵的一項(xiàng)因素，因此，在火炮的實(shí)際設(shè)計(jì)以及使用當(dāng)中，都需要考慮到身管的內(nèi)膛燒蝕問題。延長(zhǎng)火炮身管壽命能夠有效的保證火炮的戰(zhàn)斗力，同時(shí)也是重要的戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)。

在進(jìn)行射擊的時(shí)候，火炮會(huì)產(chǎn)生大量的高溫氣體，使得內(nèi)膛達(dá)到很高的溫度，在燃?xì)獾耐苿?dòng)下，彈丸沿炮口方向運(yùn)動(dòng)。在發(fā)射過程當(dāng)中，膛內(nèi)氣體向身管內(nèi)壁進(jìn)行傳熱，并瞬間提高內(nèi)壁的溫度，打破熱平衡，形成不定的溫度分布。然而，火炮的工作原理會(huì)造成內(nèi)膛的燒蝕磨損。在高溫火藥的作用下，火炮的身管內(nèi)壁材料會(huì)受到不斷的去除，最終導(dǎo)致身管直徑的增大，而這些結(jié)果會(huì)使得火炮性能下降，影響設(shè)計(jì)精度，并促使其壽命的終止。

一、火炮內(nèi)彈道模型

就火炮的身管燒蝕磨損程度來講，是和火藥氣體的熱作用有著很大的關(guān)系的，一般來講，熱作用是造成身管燒蝕的主要原因，因此在對(duì)這一問題進(jìn)行研究的時(shí)候，需要對(duì)火藥氣體進(jìn)行參數(shù)的計(jì)算，尤其是需要計(jì)算燃?xì)獾臒釋W(xué)參數(shù)，而熱血參數(shù)也是計(jì)算身管燒蝕的重要基礎(chǔ)，這需要通過模型來對(duì)氣體溫度的變化規(guī)律進(jìn)行計(jì)算。

我們通過經(jīng)典的內(nèi)彈道模型編寫了火炮內(nèi)彈道程序，得到了彈道的各項(xiàng)特征，并在對(duì)其進(jìn)行分析研究之后進(jìn)行了相關(guān)計(jì)算，通過研究我們發(fā)現(xiàn)，在火炮的實(shí)際發(fā)射過程當(dāng)中，膛內(nèi)的氣流會(huì)發(fā)生劇烈的變化，壓力會(huì)在幾毫秒內(nèi)上升到375.4MPa，而壓力峰值對(duì)應(yīng)的位置是則是火炮的坡膛附近。隨著彈丸的不斷運(yùn)動(dòng)，空間逐漸增大，壓力隨之下降。彈丸在火藥推動(dòng)下進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，且火藥氣體不斷增加，在彈丸行程的后半段，由于火藥的燃盡使得彈丸速度增加速度趨于平緩，氣體溫度瞬間達(dá)到峰值，隨后逐漸下降。

二、身管熱傳導(dǎo)分析

本文通過實(shí)際研究，發(fā)現(xiàn)在火炮的連續(xù)射擊過程當(dāng)中，與身管的單發(fā)射擊有一定的區(qū)別，由于溫度的累計(jì)效應(yīng)，因此火炮炮身的內(nèi)膛溫度會(huì)隨時(shí)間不斷上升。內(nèi)壁溫度成脈沖式上升，此外內(nèi)壁能達(dá)到的溫度峰值也會(huì)不斷增大，回落速度會(huì)不斷遞增，這是連續(xù)發(fā)射時(shí)表現(xiàn)的趨勢(shì)。但在實(shí)際的發(fā)射過程當(dāng)中，身管整體的溫度也會(huì)隨著發(fā)射次數(shù)的不斷增加而進(jìn)行增長(zhǎng)。

在火炮的連續(xù)發(fā)射過程當(dāng)中，內(nèi)壁的能達(dá)到的溫度峰值不斷增大，但是溫度的增幅會(huì)逐漸減小。

在實(shí)際的研究當(dāng)中我們發(fā)現(xiàn)，在發(fā)射后的極短時(shí)間內(nèi)，內(nèi)壁的溫度會(huì)出現(xiàn)劇烈的變動(dòng)，而距離內(nèi)壁的距離越遠(yuǎn)，溫度的變化越平緩。在連續(xù)發(fā)射過程當(dāng)中，內(nèi)壁溫度呈脈沖式變化，在發(fā)射一定的彈數(shù)后，內(nèi)壁的溫度遞增趨勢(shì)會(huì)逐漸平緩。身管溫度的變化會(huì)因?yàn)槠湮恢玫牟煌嬖诘囊欢ǖ牟顒e，靠近內(nèi)壁的位置，其溫度變化特征明顯，反之則不明顯，也就是說，在距離內(nèi)壁較遠(yuǎn)的地方，溫度的變化不再呈脈沖型，而是比較平緩。

三、身管燒蝕磨損模型建立

本文利用經(jīng)驗(yàn)公式等模型來對(duì)火炮身管過程當(dāng)中出現(xiàn)的燒蝕量進(jìn)行了計(jì)算。本文采用的公式考慮到了火藥的熱作用對(duì)身管燒蝕的影響，并將化學(xué)公式納入到對(duì)于實(shí)際燒蝕的計(jì)算過程當(dāng)中。本文的研究，采用了雙芳-3火藥進(jìn)行相關(guān)的分析，并結(jié)合火炮身管自身的溫度，計(jì)算出了在火炮單獨(dú)發(fā)射以及連續(xù)發(fā)射兩種情況下，火炮身管內(nèi)壁產(chǎn)生的實(shí)際的燒蝕程度，通過實(shí)際的計(jì)算我們發(fā)現(xiàn)：

（1）通過一些化學(xué)公式進(jìn)行實(shí)際的計(jì)算，我們發(fā)現(xiàn)火炮身管的實(shí)際燒蝕量是與所使用的火藥有著十分密切的關(guān)系的。在本文的研究當(dāng)中，選用的是雙芳-3火藥，并通過建立模型的方式進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)在實(shí)際的火炮身管發(fā)射過程當(dāng)中，熱因素會(huì)對(duì)火炮身管產(chǎn)生更大的燒蝕量。

（2）火炮身管在實(shí)際的燒蝕過程當(dāng)中，其經(jīng)受的燒蝕程度會(huì)隨著時(shí)間而進(jìn)行不斷的變化，并在達(dá)到峰值之后不斷減小。

（3）如果火炮進(jìn)行連續(xù)射擊，那么這會(huì)導(dǎo)致火炮的身管溫度出現(xiàn)不斷上升的情況，這同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致火炮神官內(nèi)膛燒蝕量的不斷增加。

四、身管壽命分析

如今，隨著時(shí)代的發(fā)展以及科技的不斷進(jìn)步，現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)火炮提出了越來越高的要求，大威力、高射速火炮的大規(guī)模應(yīng)用，更加突出了身管壽命的問題。一般來講，對(duì)于火炮壽命的問題應(yīng)從火炮身管的壽命以及火炮系統(tǒng)當(dāng)中的零部件壽命兩個(gè)方面進(jìn)行考慮。在火炮當(dāng)中有著很多零件，這些零件組合在一起，構(gòu)成了火炮自身的復(fù)雜系統(tǒng)，這就需要了解火炮的各部分功能。就一般的火炮來講，部件可以在發(fā)生損壞或者出現(xiàn)故障的時(shí)候，進(jìn)行維修或者是更換，但是由于身管費(fèi)用較高，且無法修復(fù)，身管就成為了制約火炮壽命的關(guān)鍵因素。一般來講，我們將最大射速下身管在喪失功能前射擊的發(fā)數(shù)稱之為火炮的壽命。

1.身管壽命終止評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

一般來講，對(duì)于火炮身管壽命種植的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)有彈帶削光、彈丸初速下降等許多因素。這些因素都會(huì)在一定程度上是的火炮性能下降，導(dǎo)致其難以達(dá)到作戰(zhàn)的需求。

就目前來講，我國(guó)采用以下標(biāo)準(zhǔn)對(duì)炮身壽命進(jìn)行評(píng)估：

（1）初速下降量大于規(guī)定值；

（2）火炮最大膛壓大于規(guī)定值；

（3）立靶密集度或地面密集度超過規(guī)定值八倍；

（4）早炸或連續(xù)瞎火。

在以上標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中，不僅涉及到身管，同樣也與彈丸也有關(guān)系，其中第五條就是從彈丸的角度來對(duì)壽命進(jìn)行判斷。盡管這些條件不并不相同，但是他們還存在著一定的關(guān)聯(lián)性，在這些標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中，如果有一條出現(xiàn)，那么我們就認(rèn)為火炮的身管壽命終止。

本文是選擇了其中一種標(biāo)準(zhǔn)來對(duì)身管的極限壽命進(jìn)行研究，因?yàn)榛鹋趯?duì)彈丸有著嚴(yán)格的初速度要求，因此，我們用彈丸初速下降量來對(duì)身管壽命進(jìn)行判斷。而彈丸的初速下降量與身管的磨損有著密切的練習(xí)，隨著磨損的進(jìn)行，身管直徑不斷增大，容積也隨之而增大，導(dǎo)致彈丸啟動(dòng)壓力不斷減小，因此根據(jù)這一關(guān)系，則可以求出彈丸初速的下降量。下表為部分火炮壽命極限特征量數(shù)值表。

表1 部分火炮壽命極限特征量數(shù)值表

2.身管壽命理論模型

在經(jīng)典的計(jì)算當(dāng)中，通常會(huì)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來對(duì)啟動(dòng)壓力取一常量。但這只是工程上的簡(jiǎn)化，實(shí)際上對(duì)彈丸的擠壓并非常量，在不同的時(shí)段當(dāng)中，彈丸會(huì)收到不同的加壓力，并隨磨損量的變化而不斷變化。一般來講，受到越嚴(yán)重的磨損，彈丸收到的起壓動(dòng)力就會(huì)越小。

3.身管壽命發(fā)數(shù)計(jì)算

從下表的計(jì)算當(dāng)中我們可以看到，在連發(fā)過程當(dāng)中，身管的壽命會(huì)比單發(fā)時(shí)的壽命小，這說明，在傳統(tǒng)的計(jì)算過程當(dāng)中，采用單發(fā)磨損來估算身管的壽命結(jié)果是偏大的，其實(shí)際壽命應(yīng)比單發(fā)要小，采用連發(fā)的情況來計(jì)算壽命更加貼合實(shí)際，能夠?yàn)榛鹋趬勖鼏栴}提供參考結(jié)果。

表2 連發(fā)時(shí)身管螳臂溫度峰值及磨損量計(jì)算

我們?cè)趥鹘y(tǒng)的火炮身管壽命評(píng)判的基礎(chǔ)上，對(duì)彈丸初速與火炮內(nèi)膛磨損之間建立了一定關(guān)系，通過在實(shí)際的研究當(dāng)中，對(duì)火炮身管的燒蝕進(jìn)行計(jì)算。并利用這種方法，來對(duì)火炮身管的壽命進(jìn)行經(jīng)濟(jì)意義的預(yù)測(cè)。但是由于在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)過程當(dāng)中，本文對(duì)彈丸起步壓力的計(jì)算進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，這就表示本文的計(jì)算分析仍然與真實(shí)情況有著一定的分別，還需要在日后進(jìn)行更加細(xì)微的研究。

結(jié)束語(yǔ)：隨著火炮的廣泛應(yīng)用，火藥的能量也在不斷的提高，這使得身管內(nèi)膛燒蝕的問題更加突出。因此，本文的研究有一定的顯示意義。本文對(duì)身管在發(fā)射當(dāng)中的磨損進(jìn)行了計(jì)算，并據(jù)此預(yù)測(cè)了身管的極限壽命，希望能夠起到一定的參考價(jià)值。

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