一種新型結(jié)構(gòu)火炮身管膛線的計算分析

楊 峰， 張 健， 郭策安

(沈陽理工大學(xué) 裝備學(xué)院，沈陽 110159)

1 引 言

2 漸變截面膛線概念及內(nèi)彈道基本參數(shù)結(jié)構(gòu)模型

身管膛線根據(jù)纏角沿炮膛軸線變化規(guī)律的不同，可分為等齊膛線、漸速膛線和混合膛線三種；根據(jù)膛線深度和口徑的比值不同，可將膛線分為淺膛線和深膛線兩種；根據(jù)膛線截面形狀的不同，可分為矩形膛線、梯形膛線、弧形膛線和多邊形膛線等[6]。本文提出的漸變截面膛線是不同于現(xiàn)有膛線的結(jié)構(gòu)形式，這種膛線結(jié)構(gòu)在同一截面位置上，截面形狀不發(fā)生變化，每條線槽在同一截面上尺寸形狀一致，但在不同的截面位置，線槽形狀和尺寸逐漸發(fā)生變化，沿著纏角每條線槽的尺寸從炮口向藥室方向，深度逐漸加深，寬度逐漸加寬。這種結(jié)構(gòu)的膛線能更有效地密閉火藥燃氣，提高彈丸初速，減少彈丸膛內(nèi)章動和提高火炮的射擊精度，減小膛線應(yīng)力集中，并提升炮管壽命。

在不降低火炮內(nèi)彈道基本性能的前提下，對身管膛線進行截面漸變結(jié)構(gòu)設(shè)計，形成陰線寬度和深度在身管內(nèi)膛自膛線起始點至炮口方向逐漸變化，寬度由寬變窄(陽線寬度由窄變寬)，深度由深變淺，陰線底部同兩個側(cè)壁相交的圓角向炮口方向逐漸變小，陰線兩側(cè)壁傾斜角度由大變小。這種膛線在炮膛起始處導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)壁傾斜角度較大，至炮口處角度逐漸減小到直角，陰線深度從炮膛至炮口逐漸減小，陰線寬度的變化與陰線深度和導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)壁傾角匹配，實現(xiàn)膛線結(jié)構(gòu)截面漸變。

這種膛線有利于彌補彈帶磨損后形成的間隙，有利于減少膛線根部應(yīng)力集中，減少彈丸彈帶對膛線的沖擊和磨損，增強銅彈帶的擠入能力，提高火藥燃燒氣體的密封性能，有效提升彈帶的閉氣性能，減小膛線倒轉(zhuǎn)側(cè)壁所受的剪切力，形成漸緊式的效果，使得彈丸在膛內(nèi)運行平穩(wěn)，減少章動，在提高射擊密集度、保證射擊精度的同時，有利于身管壽命的提高。

從內(nèi)彈道角度和膛內(nèi)發(fā)射過程理論進行分析，本文重點針對大口徑等截面與漸變截面膛線結(jié)構(gòu)引起的遠射程殺爆彈藥情況下的彈帶擠進阻力、彈丸導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)向力、摩擦力和彈帶閉氣間隙等進行計算，比較分析漸變截面膛線結(jié)構(gòu)相對等截面膛線結(jié)構(gòu)在這四個方面的變化情況，進而說明其對身管壽命和射擊精度的影響。

早期中立評估制度是在美國特定的時代背景和訴訟體制下產(chǎn)生的，照搬移植并不一定可取，但是，通過對民事審前程序在定位、主體、價值和效力上的改造，以發(fā)揮其二元性價值(即訴訟準備和糾紛解決的雙重價值)則對我國的民事審前程序改革極具借鑒意義。

2.1 內(nèi)彈道參數(shù)

某型大口徑火炮身管發(fā)射遠程殺爆彈藥時彈底壓力行程曲線如圖1所示。本文研究的漸變截面膛線參數(shù)列入表1，彈底壓力曲線為計算依據(jù)，如圖1所示。

表1 計算參數(shù)

圖1 彈底壓力曲線

2.2 漸變截面膛線結(jié)構(gòu)參數(shù)

火炮身管與藥室結(jié)構(gòu)分別如圖2和圖3所示。膛線內(nèi)彈道截面如圖4所示。線槽條數(shù)為n，螺旋升角為α，內(nèi)徑為D1，沿螺旋升角方向保持不變，外徑為D2，沿螺旋升角方向變化至D2′。

2.3 彈丸參數(shù)

彈丸質(zhì)量為mq，彈丸轉(zhuǎn)動慣量為J，彈丸彈帶局部結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖2 火炮身管結(jié)構(gòu)

圖3 火炮藥室結(jié)構(gòu)

圖4 膛線內(nèi)彈道截面

圖5 彈丸彈帶局部結(jié)構(gòu)

表2 內(nèi)膛結(jié)構(gòu)參數(shù)

3 彈丸彈帶擠進阻力計算對比分析

3.1 計算模型

為了精確求取擠進阻力，必須把擠進過程涉及的相關(guān)因素，包括彈帶材料性能、彈丸-炮膛幾何匹配關(guān)系等，都包含在擠進的數(shù)學(xué)描述之中[7,8]。令擠進(刻槽)過程從彈帶與坡膛錐面接觸開始，彈丸向前運動，彈帶材料進入屈服流動狀態(tài)，并隨擠進行程增加，多余(過盈)材料推向后方，接觸面逐漸增加[9]。在推導(dǎo)擠進阻力基本方程之前，先提出如下基本假定：

(1) 假定彈丸裝填定位狀態(tài)與彈帶(凸臺)直徑db、彈帶前斜面傾角α2及坡膛角Φ有關(guān)，α2即彈帶前側(cè)母線與彈丸軸線之間的夾角，為彈帶前傾角。

(2) 假定彈帶與坡膛接觸面上的應(yīng)力為常量，這個應(yīng)力即為彈帶材料流動應(yīng)力σf。

(3) 假定擠進中接觸(壓力)載荷是接觸面積與表面應(yīng)力的乘積，即Wn=σfAc。

(4) 此外，一些彈帶結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，需作適當(dāng)簡化。特作如下約定,以公稱口徑d為基礎(chǔ)，對彈帶上的溝槽、凸臺和前后傾角因素進行修正，折算出彈帶有效當(dāng)量直徑db和有效當(dāng)量寬度Sz。

(5) 對于雙彈帶，在對每條彈帶作簡化處理和確定出db和Sz基礎(chǔ)上，要考慮前后彈帶之間間隔距離[10,11]。

令幾個特征長度分別為

(1)

l2=S2+l1-S1

(2)

l3=S2+l1

(3)

l4=l3+ΔS3

(4)

相應(yīng)不同階段阻力表達式為

(5)

式中ΔS3為彈帶材料擠壓延伸長度，c為圓周接觸長度，θ為纏角。

(6)

(7)

式中dp為彈帶后部彈丸(溝槽)外徑。

3.2 擠進阻力計算結(jié)果

圖6為等截面膛線和漸變截面膛線彈丸彈帶擠進過程阻力的變化情況。擠進阻力的計算只與材料的性質(zhì)、膛線數(shù)目、陽線直徑和陰線直徑有關(guān)，對于新型漸變截面結(jié)構(gòu),膛線可以使得擠進阻力減小約16%，改變膛線截面結(jié)構(gòu)有利于減小彈丸擠進過程中引起的磨損。

通過計算分析可知，在彈丸彈帶擠進的過程中，漸變截面膛線相比于等截面膛線，彈丸彈帶擠進阻力變化趨勢一致，在彈帶擠進初期，漸變膛線變化程度越大，彈帶所受擠入阻力越小，隨著彈帶完全擠入膛線，彈丸彈帶擠入阻力趨于穩(wěn)定，漸變膛線變化對彈丸彈帶影響較小?？傮w來說，漸變截面膛線彈丸彈帶所受擠進阻力相對變小，有利于彈丸彈帶流變擠進膛線，有利于彌補彈帶磨損后形成的間隙，有利于減少膛線根部應(yīng)力集中，減少彈丸彈帶對膛線的沖擊和磨損，增強銅彈帶的擠入能力，提高火藥燃燒氣體的密封性能，有效提升彈帶的閉氣性能。

4 膛線導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)向力和摩擦力計算對比分析

4.1 計算模型

膛線導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)垂直壓力N的計算方法：

圖6 等截面膛線和漸變截面膛線彈丸擠進阻力變化曲線

(8)

炮膛橫截面積S的準確計算公式為

(9)

彈丸運動時沿炮膛軸線方向的摩擦力為

Fl=n(μN)x=nμNcosα

(10)

4.2 計算結(jié)果

分別計算了等截面膛線結(jié)構(gòu)和漸變截面膛線炮膛橫截面積變化、膛線導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)向受力和彈帶與膛線摩擦受力的情況。漸變截面膛線與等截面膛線的炮膛橫截面積的變化如圖7所示，可以看出，等截面膛線橫截面積在膛內(nèi)不發(fā)生變化，漸變截面膛線橫截面積自藥室膛線起點至炮口逐漸減小。

根據(jù)截面面積變化曲線可知，對于等截面膛線結(jié)構(gòu)，陰線直徑、膛線深度、陽線寬度和陰線寬度等尺寸不發(fā)生改變，膛線截面面積曲線為直線；而對于漸變截面膛線結(jié)構(gòu)，陰線直徑由膛線起點處向身管口部方向逐漸減小，即膛線深度由膛線起點處向身管口部方向逐漸減小，陰線寬度由膛線起點處向身管口部方向逐漸變窄，膛線截面面積逐漸減小，漸變截面膛線面積變化曲線為斜線。通過截面面積變化曲線可以推斷，漸變膛線隨著彈丸的運動，由于彈丸與膛線之間的接觸存在一個漸變的過程，形成漸緊式的效果，則彈丸的閉氣性比等截面膛線更好，提高火藥燃燒氣體的密封性能，有效提升彈帶的閉氣性能，且膛內(nèi)運動受到的擾動相對會減小，使得彈丸在膛內(nèi)運行平穩(wěn)，減少章動，具有減小彈丸炮口擾動的作用，在提高射擊密集度、保證射擊精度的同時，有利于身管壽命的提高。

圖7 等截面膛線和漸變截面膛線橫截面積變化曲線

圖8為等截面膛線導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)向力與漸變截面膛線炮膛的彈帶導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)向力計算結(jié)果曲線，最大受力出現(xiàn)在最大彈底壓力的地方，通過對比導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)向力的計算結(jié)果可以看出，漸變截面膛線相對等截面膛線結(jié)構(gòu)，炮膛導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)向力減小，最大導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)向力減小約9.98%，炮口處導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)向力差異較小，約為1%。

計算結(jié)果表明漸變截面膛線和等截面膛線最大導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)力處于同一位置，與彈底壓力最大處一致，位于膛線初始處。由比較結(jié)果可知，漸變截面膛線的最大導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)力小于等截面膛線，漸變截面膛線所受的剪切力小于等截面膛線，改善了膛線初始位置的受力情況，延長了膛線起點的使用壽命。由導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)力變化曲線可知，隨著彈丸在膛內(nèi)運行，彈丸導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)力逐漸趨于一致，說明漸變截面膛線比等截面結(jié)構(gòu)膛線可有效改善膛內(nèi)膛線所受彈帶導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)力情況，并且不影響彈丸炮口初速。

等截面膛線彈帶-膛線之間的摩擦力和漸變截面膛線彈帶-膛線之間的摩擦力變化情況如圖9所示。由計算結(jié)果可知，漸變截面膛線結(jié)構(gòu)有助于減小彈帶-膛線之間的摩擦力。

圖9 等截面膛線與漸變截面膛線摩擦力變化曲線

通過比較摩擦力計算曲線可知，等截面膛線結(jié)構(gòu)和漸變截面膛線彈帶摩擦力最大處為同一位置，位于彈底壓力最大處，漸變結(jié)構(gòu)膛線產(chǎn)生的彈帶最大摩擦力比等截面結(jié)構(gòu)膛線減小約10%，由比較結(jié)果可以看出，漸變膛線產(chǎn)生的彈丸彈帶摩擦力整體小于等截面結(jié)構(gòu)膛線。這種情況表明，漸變結(jié)構(gòu)膛線有利于減少彈丸在膛內(nèi)運動時所產(chǎn)生的無用功，相同射擊條件下，提升彈丸出炮口威力。同時漸變結(jié)構(gòu)膛線所產(chǎn)生的彈帶摩擦力減小，使膛線所受彈帶摩擦熱減小，增強內(nèi)膛抗燒蝕壽命，有利于提升身管使用壽命。

5 結(jié) 論

通過對等截面結(jié)構(gòu)膛線與漸變截面結(jié)構(gòu)膛線的對比計算分析發(fā)現(xiàn)，采用漸變截面膛線可使彈丸彈帶擠進阻力減小16%；漸變截面膛線相對等截面膛線結(jié)構(gòu)炮膛導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)向力減小，最大導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)向力減小約9.98%，炮口處導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)向力差異較??；漸變結(jié)構(gòu)膛線產(chǎn)生的彈帶最大摩擦力比等截面結(jié)構(gòu)膛線減小約10%，漸變膛線產(chǎn)生的彈丸彈帶摩擦力整體小于等截面結(jié)構(gòu)膛線。漸變截面結(jié)構(gòu)膛線有利于膛線起始處彈丸彈帶材料的流變擠進，有利于彌補彈帶磨損后形成的間隙，有利于減少膛線根部應(yīng)力集中，減少彈丸彈帶對膛線的沖擊和磨損，增強彈丸彈帶的擠入能力；隨著彈丸在膛內(nèi)的高速運動，漸變膛線的結(jié)構(gòu)形成了漸緊式的效果，有效提高火藥燃燒氣體的密封性能，提升彈帶的閉氣性能；同時漸變結(jié)構(gòu)膛線所產(chǎn)生的彈帶摩擦力減小，彈丸膛內(nèi)運動受到的擾動相對減小，使得彈丸在膛內(nèi)運行平穩(wěn)，減少炮口章動，保證了射擊密集度，同時膛線受到的彈帶摩擦生熱大量減少，增強了身管內(nèi)膛的抗燒蝕壽命，在保證了射擊精度的同時，有利于身管壽命的提高。

漸變截面膛線的設(shè)計是在炮、彈和藥一體化設(shè)計的基礎(chǔ)上提出的，是對現(xiàn)有制式火炮裝備身管內(nèi)彈道結(jié)構(gòu)的豐富和補充，因此滿足現(xiàn)有制式彈藥的發(fā)射使用要求。隨著火炮技術(shù)的不斷發(fā)展，身管內(nèi)彈道設(shè)計需要深入研究，在實現(xiàn)漸變截面的基礎(chǔ)上進一步優(yōu)化，探尋截面變化范圍及變化程度，得到漸變截面膛線的最優(yōu)解，滿足不斷提升的武器裝備的火力性能需求。