火炮身管壽命評估預(yù)測

焦貴偉，胡朝根

(陸軍炮兵防空兵學(xué)院 a.研究生大隊； b.兵器工程系， 合肥 230031)

現(xiàn)代火炮是戰(zhàn)場上常規(guī)兵器的火力骨干，是目前世界各國軍隊裝備數(shù)量最多，使用最頻繁的武器裝備，一直素有“戰(zhàn)爭之神”的美譽(yù)，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中具有不可替代的地位[1]。對于大中口徑火炮來說，由于火炮身管購置費用較高，約占全炮購置費用的30%～40%，因此火炮身管壽命決定了火炮壽命?；鹋谏鋼暨^程極為復(fù)雜，身管更是射擊時的核心部件。彈丸點火后產(chǎn)生的高溫高壓高速的火藥燃?xì)鈱ι砉軆?nèi)膛的熱化學(xué)作用以及彈丸自身對內(nèi)膛的機(jī)械作用，使得內(nèi)膛的尺寸形狀慢慢發(fā)生變化，結(jié)構(gòu)遭到破壞，進(jìn)而導(dǎo)致內(nèi)彈道性能變化，降低火炮的性能，使身管壽命退化。身管不斷耗損到一定程度，輕則火炮無法完成射擊任務(wù)，貽誤戰(zhàn)機(jī)，重則造成彈丸早炸、炸膛等重大事故[2-3]。

研究火炮壽命，其主要是從大量影響火炮壽命的因素中，找到并確定能夠真實反映火炮壽命變化規(guī)律的判別參量，通過該判別參量，既能對火炮的壽命進(jìn)行預(yù)測和判別，也能夠?qū)θ我荒p狀態(tài)下火炮的剩余壽命進(jìn)行評估。

研究火炮壽命的意義是非常重要的，主要有以下兩方面：

1) 有利于指導(dǎo)部隊對火炮的使用?；鹋趬勖耐嘶苯佑绊懟鹋趹?zhàn)技性能的發(fā)揮，影響作戰(zhàn)任務(wù)的完成，比如初速下降影響射擊的精度。有了壽命預(yù)測理論，可以對射擊精度進(jìn)行修正，實現(xiàn)火炮精準(zhǔn)射擊要求，更好發(fā)揮裝備潛力和部隊?wèi)?zhàn)斗力。

2) 有利于提高部隊平時和戰(zhàn)時對火炮的科學(xué)管理水平。我軍的軍械管理工作，長期以來停留在經(jīng)驗管理的水平上，多項管理指標(biāo)沒有達(dá)到量化管理程度，特別是火炮剩余壽命，部隊更無法檢測。有了火炮壽命定量評估體系可以為火炮維修、保養(yǎng)、分級、報廢等提供科學(xué)根據(jù)，把軍械管理工作從過去的經(jīng)驗管理提高到科學(xué)管理的新水平，提升我軍的軍械保障能力。

1 國內(nèi)外研究概況

1.1 身管壽命終止標(biāo)準(zhǔn)及壽命定義的分類

壽命定義的實質(zhì)是壽命終止標(biāo)準(zhǔn)的判定。在各種火炮教材、學(xué)術(shù)論文、火炮設(shè)計手冊、火炮試驗軍用標(biāo)準(zhǔn)等資料中關(guān)于身管壽命終止的定義和判決也不盡相同。絕大多數(shù)文獻(xiàn)都從彈道性能喪失的角度對身管壽命進(jìn)行了定義。而我國火炮試驗軍用標(biāo)準(zhǔn)和蘇聯(lián)火炮試驗方法從戰(zhàn)斗性能喪失的角度對身管壽命進(jìn)行了定義?？偟膩碚f，壽命終止標(biāo)準(zhǔn)多從以下幾個方面考慮：①初速下降量；②彈丸飛行失穩(wěn)(出現(xiàn)橫彈，近彈、彈帶削光)；③立靶或地面密集度超過規(guī)定值；④引信瞎火或彈丸彈道早炸。一般認(rèn)為，最先達(dá)到其中一個指標(biāo)即為壽命終止[4]。

根據(jù)不同終止標(biāo)準(zhǔn)可以得到不同身管壽命定義，表1所示為身管壽命的不同分類。

1.2 火炮身管壽命評估預(yù)測技術(shù)發(fā)展

隨著火炮性能(高溫、高初速、高膛壓)的不斷提高，火炮身管壽命問題日益突出。身管壽命問題嚴(yán)重制約著火炮射擊效果的發(fā)揮，火炮的維修保障水平的提高，因此各國專家都高度重視身管壽命問題的研究，迄今為止，已經(jīng)取得了諸多進(jìn)展。其發(fā)展歷程可分為以下4個階段[5]。

1) 第一階段(20世紀(jì)70年代以前)

早期的身管壽命 預(yù)測方法主要是采用經(jīng)驗公式，在一定的假設(shè)條件下，通過大量的實驗數(shù)據(jù)擬合獲取身管壽命耗損規(guī)律。

1911年，Jones提出最早的火炮身管壽命計算模型

(1)

式中：N為身管壽命發(fā)數(shù)(發(fā))；v為火炮初速(m/s)；d為身管直徑(mm)；P為最大膛壓(MPa)；A為經(jīng)驗常數(shù)。

此外，還有像比如安寧公式、卡波公式、斯魯哈斯基公式等身管壽命發(fā)數(shù)預(yù)測公式。這些公式反映了初速、膛壓及身管口徑與身管壽命一定的關(guān)系，但與實際情況相比存在相當(dāng)大的誤差。這些經(jīng)驗性公式?jīng)]有完善的理論依據(jù)，適用性較差，但對于當(dāng)時的技術(shù)水平而言，具有一定的指導(dǎo)意義和應(yīng)用價值[6]。

20世紀(jì)60年代，美國火炮試驗人員從大量火炮試驗數(shù)據(jù)中總結(jié)得出火炮射擊時不同彈藥等效系數(shù)換算的經(jīng)驗公式

EFC=(Pm/Pm1)0.4(ω/ω1)2(v0/v01)(E/E1)

(2)

式中：Pm、ω、v0、E分別為需等效的膛壓 、裝藥量、初速、發(fā)射裝藥比能；Pm1、ω1、v01、E1分別為標(biāo)準(zhǔn)彈藥的膛壓 、裝藥量、初速、發(fā)射裝藥比能。

我國學(xué)者在編寫常規(guī)兵器定型試驗方法時，參考該經(jīng)驗公式，依據(jù)我國火炮實驗數(shù)據(jù)做出相應(yīng)簡化，提出適用于我國火炮身管的等效壽命系數(shù)計算公式[7]。

等效壽命換算的經(jīng)驗公式表明研究人員已經(jīng)將火炮身管壽命問題逐步定義到彈道壽命問題上，取得了重大的進(jìn)步，但該經(jīng)驗公式存在一定誤差，需進(jìn)一步完善。

2) 第二階段(20世紀(jì)70年代到90年代)

20世紀(jì)70年代以后，火炮技術(shù)快速發(fā)展，火炮威力、機(jī)動性等大幅提升，身管壽命問題更加嚴(yán)重，在這一背景下，各國研究人員做出了大量富有成效的工作，提出了以藥室增長量法、累計射彈發(fā)數(shù)法、初速下降量法等多種身管壽命檢測評定方法。表2為3種壽命檢測方法[8]。

表1 身管壽命定義分類

表2 3種壽命檢測方法

在對比上述方法的缺陷后，各國專家慢慢發(fā)現(xiàn)，影響身管壽命退化的關(guān)鍵原因在于火藥燃?xì)夂蛷椡鑼ι砉軆?nèi)膛的燒蝕磨損。研究人員從火炮彈道性能和火炮極限壽命方面分析判斷膛線徑向磨損量至少在一定程度上表征了身管的壽命，提出了運用身管內(nèi)膛定點徑向磨損量對身管壽命進(jìn)行評估預(yù)測的方法，并設(shè)計了多種徑向磨損量測量設(shè)備。實踐證明，以徑向磨損量為變量因子建立的數(shù)學(xué)模型能夠較為準(zhǔn)確地反映身管彈道性能的變化規(guī)律[9]。

膛線徑向磨損量判別法一經(jīng)提出，就獲得各國學(xué)者的普遍認(rèn)可。至今，身管壽命實際評估預(yù)測過程中最有效的方法仍然是徑向磨損量法。

3) 第三階段(20世紀(jì)90年代至2007年)

在確定身管壽命下降是由于燒蝕磨損造成的并提出了膛線徑向磨損量判別法這一新方法之后，由于徑向磨損量可以明顯表征身管壽命下降量，各國在身管壽命預(yù)測技術(shù)方面的研究重點變?yōu)閷μ啪€徑向磨損量測量技術(shù)的探索。經(jīng)過大量實踐研究論證，我國將陽線起始點處的徑向磨損量定為判別標(biāo)準(zhǔn)，但是西方國家的判別標(biāo)準(zhǔn)與我國略有不同，而是陽線起始點向炮口處增加一英寸處的徑向磨損量。

同時，在這一時期，各國在大量身管徑向磨損量的試驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)火炮彈道性能的變化僅決定于膛線徑向磨損量的大小，而與徑向磨損量變化過程即火炮使用條件無關(guān)的結(jié)論。這一重要結(jié)論使得身管壽命問題的研究變得簡單，徑向磨損量一旦測量出來，就可以進(jìn)行身管壽命的評估預(yù)測。因此，這一時期，許多不同測量原理的徑向磨損量測量裝置應(yīng)運而生。但是，大量實踐表明，測量裝置在測量身管徑向磨損量時有一定的誤差，有待于進(jìn)一步改善[10]。

徑向磨損量法屬于靜態(tài)測試，具有成本低，操作安全等優(yōu)點，但也有一定局限性。它無法在作戰(zhàn)或訓(xùn)練時對身管跟蹤實時監(jiān)測，并且對射彈數(shù)較少時的微小磨損量無法準(zhǔn)確測量。由于已經(jīng)認(rèn)識到身管壽命耗損是內(nèi)膛燒蝕磨損的結(jié)果，從20世紀(jì)90年代以來，不同于徑向磨損量判別法，專家學(xué)者開始對內(nèi)膛燒蝕磨損機(jī)理以及燒蝕磨損引起內(nèi)彈道性能退化規(guī)律進(jìn)行研究，通過計算磨損量的角度預(yù)測身管壽命，提出很多身管內(nèi)壁磨損量計算模型和方法。

Lawton和Laird應(yīng)用的集總參數(shù)法計算出火藥氣體傳遞到身管內(nèi)壁上的熱量，進(jìn)而估算身管內(nèi)壁的磨損量。Heiser、Conroy以及陳龍淼等則通過研究，利用火炮射擊時的壁溫計算磨損量，各自提出了計算模型。南京理工大學(xué)高付申等，以邊界層湍流、兩相流為核心的基礎(chǔ)上，得到了關(guān)于壁溫預(yù)測的流動態(tài)數(shù)學(xué)模型，依此計算燒蝕量進(jìn)行壽命評估[11-15]。

不同于利用壁溫計算身管磨損量，Samuel等提出了身管壽命耗損的熱化學(xué)燒蝕模型，該模型包括熱化學(xué)模型、內(nèi)彈道計算、邊界層計算、身管燒蝕量計算和ABAQUS基礎(chǔ)上的身管機(jī)械磨損分析；吳斌，夏偉等深入研究了身管內(nèi)膛燒蝕機(jī)理認(rèn)為內(nèi)膛表面在高溫火藥氣體作用下迅速熔化并立即被高速流動的火藥氣體吹除，據(jù)此，在半無限大物體和傳熱學(xué)第二類邊界條件的假設(shè)基礎(chǔ)上，得出了身管熱燒蝕層厚度的計算模型[16-17]。

上述研究，采用經(jīng)驗公式計算身管磨損量的做法雖然簡便易行但精度較差；采用熔化機(jī)制改進(jìn)模型等方法實際操作比較復(fù)雜，計算精確度上也有待提高；而利用身管壁溫與身管燒蝕之間的映射關(guān)系進(jìn)行計算，相對簡單，同時精度也比較高，目前已經(jīng)被國內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)同。

這一時期的另一重大成果是以大量的試驗結(jié)果確定了射擊條件的變化是導(dǎo)致身管膛線徑向磨損量變化的主要原因。其中尤其以發(fā)射彈丸種類、發(fā)射藥溫度、發(fā)射裝藥量和火炮射擊頻率為主要影響因素，這就為下一步的射擊標(biāo)準(zhǔn)化理論研究打下了基礎(chǔ)。

4) 第四階段(2007年至今)

2007年軍械工程學(xué)院張喜發(fā)教授提出了火炮當(dāng)量系數(shù)試驗法，即對各種非標(biāo)準(zhǔn)射擊條件，通過小規(guī)模實彈射擊試驗就能得出相對于標(biāo)準(zhǔn)射擊條件下的當(dāng)量系數(shù)值。在這一階段，射擊條件標(biāo)準(zhǔn)化成為身管壽命問題的重點研究方向。射擊條件標(biāo)準(zhǔn)化實現(xiàn)了非標(biāo)準(zhǔn)射擊條件下的射彈到標(biāo)準(zhǔn)射擊條件射彈的轉(zhuǎn)化，提高了試驗數(shù)據(jù)的利用率，拓寬了壽命評估的方法。目前我國已積累了多種火炮的各項非標(biāo)準(zhǔn)條件下的當(dāng)量系數(shù)值。

除去射擊標(biāo)準(zhǔn)化的研究之外，目前國內(nèi)對身管壽命的預(yù)測主要分為兩個方向：一是前面所述基于燒蝕磨損機(jī)理的磨損量計算模型。近年來，南京理工大學(xué)的梁文凱等提出一種身管與彈丸的熔融磨損的計算方法；西北機(jī)電工程研究所李明濤等以內(nèi)表面熔化層為理論基礎(chǔ)，提出了一種壽命評估的新方法；陸軍軍官學(xué)院吳斌等將應(yīng)變增量作為身管損傷情況的特征值，在身管外壁面應(yīng)變實測數(shù)據(jù)和局部應(yīng)變法的基礎(chǔ)上,得到了外表面應(yīng)變、身管的健康狀況和射彈發(fā)數(shù)之間的關(guān)系。這些都對深入研究燒蝕機(jī)理和壽命預(yù)測具有重要意義[18-20]。

二是基于已有試驗所得性能退化數(shù)據(jù)，用先進(jìn)數(shù)學(xué)分析手段進(jìn)行數(shù)學(xué)處理得到可靠經(jīng)驗數(shù)學(xué)模型。白城兵器試驗中心的金文奇、馮三任等開展了 “身管壽命推斷技術(shù)研究”，研究以火炮壽命試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以壽命特征量為研究對象，分析身管壽命退化規(guī)律，建立身管壽命退化統(tǒng)計分析模型，利用偏最小二乘回歸方法和正交回歸設(shè)計思想建立了壽命模型參數(shù)估計方法，從統(tǒng)計的觀點研究壽命退化統(tǒng)計模型以及參數(shù)估計方法；陳國利等利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法計算炮膛磨損量，并根據(jù)最大磨損量進(jìn)行身管壽命預(yù)測。南京理工大學(xué)的孟翔飛等在灰色線性回歸組合模型的基礎(chǔ)上也提出一種新的預(yù)測模型；孔國杰，張培林等采用最小二乘和支持向量機(jī)的方法建立了單截面基礎(chǔ)上的火炮特性模型。裝甲兵工程學(xué)院任雙瑛、徐達(dá)采用支持向量機(jī)方法，以多特征截面為基礎(chǔ)研究得出了坦克炮剩余壽命模型。這些方法模型都進(jìn)一步提升了壽命推斷結(jié)論的可信性和準(zhǔn)確性[21-24]。

由于膛線徑向磨損量法仍是壽命預(yù)測中較為可靠準(zhǔn)確的方法，而徑向磨損量法的核心在于對膛線磨損量的精確測量?；鹋趦?nèi)膛陽線徑向磨損量的檢測技術(shù)從早期機(jī)械接觸式測量逐漸發(fā)展為以激光掃描技術(shù)為代表的非接觸式測量。激光掃描技術(shù)興起于2013年，突破了傳統(tǒng)單點測量方法，能夠快速獲取物體表面海量三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)， 具有檢測精確、無磨損等優(yōu)點。目前激光掃描技術(shù)已具備出更高的測量精度，可以作為壽命預(yù)測準(zhǔn)確性的可靠保證[25]。

2 基于新技術(shù)的新型火炮壽命預(yù)測

目前火炮種類很多，總體可分為3大類型：

1) 火炮已進(jìn)行全壽命試驗，有全面的試驗總結(jié)報告。

2) 火炮只進(jìn)行少量實彈射擊，未進(jìn)行到壽命終止?fàn)顟B(tài)，全部定型試驗工作結(jié)束。這類火炮品種最多，數(shù)量最大。

3) 未進(jìn)行實彈射擊的火炮(正在研制中的火炮，或火炮論證方案)。

由于全壽命試驗耗資較大，當(dāng)前部隊裝備的許多新型火炮沒有經(jīng)過全壽命試驗，或者進(jìn)行全壽命試驗但沒有準(zhǔn)確的壽命預(yù)測模型。部隊在使用新型火炮時存在一定的使用風(fēng)險和安全隱患。

針對這一問題，急需建立新型火炮的身管壽命預(yù)測模型，通過對上述壽命預(yù)測理論的總結(jié)分析，基于檢測技術(shù)的發(fā)展，新型火炮的壽命預(yù)測模型的建立應(yīng)從以下兩方面考慮：

1) 選取徑向磨損量作為壽命判別參量。徑向磨損量法屬于靜態(tài)檢測方法，操作方便，經(jīng)濟(jì)性好，適合在基層部隊推廣。隨著電子和傳感技術(shù)的飛速發(fā)展，可選用高精度的非接觸式激光測量技術(shù)減小測量誤差，提高壽命預(yù)測的準(zhǔn)確度和可靠性。

2) 基于大量的性能退化數(shù)據(jù)，采用嚴(yán)密數(shù)理統(tǒng)計理論。新型火炮的性能退化數(shù)據(jù)可從工廠研究所試驗、靶場試驗、部隊射擊、科研項目測試4個方面廣泛收集。分析性能退化數(shù)據(jù)的特點，選擇合適的統(tǒng)計回歸理論建立數(shù)學(xué)模型，提高壽命預(yù)測的可靠性。

3 結(jié)論

通過總結(jié)火炮身管壽命的定義，壽命終止標(biāo)準(zhǔn)，以及壽命評估預(yù)測理論的相關(guān)研究進(jìn)展，在電子技術(shù)和壽命預(yù)測理論飛速發(fā)展的基礎(chǔ)上，以當(dāng)前部隊火炮的壽命預(yù)測需求為牽引，提出了新型火炮的壽命評估預(yù)測方法，并闡述了新型火炮壽命模型建立的關(guān)鍵——高精度的徑向磨損量測量和全面的性能退化數(shù)據(jù)收集。

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