火炮身管壽命評估方法及其標(biāo)準(zhǔn)研究

馮一帆，李 博，張曉暉，孫 麗，焦 紅，田志輝

(中國兵器工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化研究所，北京 100089)

自從火炮作為兵器出現(xiàn)以來，各國不斷致力于提升火炮性能(高溫、高初速、高膛壓)以滿足戰(zhàn)爭需要，但同樣對火炮身管壽命提出了更高的要求。目前西方第三代坦克的滑膛炮可以達(dá)到1 500發(fā)左右的壽命，這個數(shù)字是現(xiàn)階段高壓滑膛炮的極限水平。圖1所示為高壓滑膛炮身管實(shí)物圖。

圖1 高壓滑膛炮身管

提升身管壽命、降低身管燒蝕磨損的技術(shù)措施主要有采用低爆溫發(fā)射藥、發(fā)射藥內(nèi)添加緩蝕劑、改善彈帶或炮膛結(jié)構(gòu)、采用短襯管及內(nèi)膛鍍鉻等[1-2]。圖2所示為萊茵金屬Rh-120坦克炮的鍍鉻內(nèi)膛，可以看出鍍鉻后的內(nèi)膛非常光滑。這些措施雖然使火炮身管壽命得到一定程度的提高，但在壽命評估方面，現(xiàn)有國軍標(biāo)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)依舊以發(fā)射彈丸及身管本身的常規(guī)指標(biāo)(如彈丸初速、飛行穩(wěn)定性、內(nèi)膛燒蝕磨損)來判定身管剩余壽命[3-4]，無法精準(zhǔn)定量地評估身管壽命。

圖2 萊茵金屬Rh-120坦克炮的鍍鉻內(nèi)膛

當(dāng)前部隊(duì)裝備的許多新型火炮沒有經(jīng)過全壽命試驗(yàn)，由于沒有準(zhǔn)確的壽命評估方法，導(dǎo)致部隊(duì)在使用新型火炮時存在一定的使用風(fēng)險和安全隱患。本文在目前身管壽命研究的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析身管壽命評估方法及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并對身管壽命評估研究提出標(biāo)準(zhǔn)化方面的建議。

1 火炮身管壽命基本概念

身管壽命一般是指在火炮彈道性能降低到指標(biāo)規(guī)定的允許值或因疲勞損壞喪失戰(zhàn)斗使用性能前身管所能發(fā)射的當(dāng)量全裝藥射彈數(shù)[5]，前者稱為身管的彈道壽命，后者稱為身管的疲勞壽命。身管壽命受其彈道壽命和疲勞壽命制約，其中較短者就是身管的壽命[6]。

值得注意的是關(guān)于身管的疲勞壽命概念，它是身管在發(fā)射條件下，膛壁產(chǎn)生疲勞裂紋隨射彈發(fā)射增加而發(fā)展，最終導(dǎo)致身管斷裂破壞的這一過程身管所累計(jì)的射彈發(fā)數(shù)。疲勞破壞涉及火炮發(fā)射的安全性，在火炮設(shè)計(jì)時，通常都需要保證疲勞壽命大于彈道壽命，這對于保證身管在使用壽命期內(nèi)發(fā)射安全性至關(guān)重要。

2 身管壽命損耗及壽命提升

2.1 身管壽命損耗

在發(fā)射過程中，身管膛內(nèi)發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)變化：一是高溫火藥燃?xì)鈱?nèi)膛表面的快速加熱和燒蝕；二是因彈帶與內(nèi)膛表面間高速摩擦以及高速燃?xì)饬鞯拇滴g作用引起的膛表金屬磨損；三是發(fā)射藥對身管內(nèi)膛的化學(xué)腐蝕作用；四是動態(tài)沖擊載荷作用造成的身管疲勞損傷，尤其是在疲勞作用下裂紋沿徑向擴(kuò)展可能導(dǎo)致身管因剩余強(qiáng)度不足而發(fā)生災(zāi)難性的斷裂事故，即發(fā)生膛炸(見圖3)，其后果往往是炮毀人亡。

圖3 坦克火炮身管炸膛

2.2 身管壽命提升

面對不同發(fā)射條件以及不同類型彈藥，身管壽命將受到力—熱—化學(xué)多因素耦合作用的影響。對于提升身管壽命降低發(fā)射過程中的燒蝕磨損，國外主要從改進(jìn)身管使用性能等方面提升身管壽命。

美國陸軍實(shí)驗(yàn)室利用陶瓷的耐磨性和抗高溫性優(yōu)點(diǎn)，用α-碳纖維陶瓷制備陶瓷基復(fù)合材料身管內(nèi)襯，該身管可經(jīng)受1 000次滑膛炮的單發(fā)射擊，并在射擊中可有效消除火藥氣體造成的應(yīng)力和結(jié)構(gòu)損傷。美國貝尼特武器實(shí)驗(yàn)室利用磁控濺射鍍膜技術(shù)取代傳統(tǒng)身管鍍鉻工藝，從而改進(jìn)身管使用性能，該技術(shù)已用在法國Casius火炮120 mm及155 mm口徑身管上[7-8]。

除此以外，還有從改進(jìn)發(fā)射藥、改進(jìn)身管結(jié)構(gòu)等方面去提升身管壽命，表1總結(jié)并對比了這3類提升壽命方法的特點(diǎn)。

表1 提升身管壽命的方法

通過對身管采用熱處理、鍍層、復(fù)合身管材料等手段，能夠有效地提高身管抗燒蝕性能，延長身管壽命。并且改進(jìn)身管性能這一措施相比于改變發(fā)射藥、改進(jìn)彈體結(jié)構(gòu)等措施，其工程實(shí)用性更好，也更容易推廣使用，并且不受彈藥種類、彈體結(jié)構(gòu)的限制。

3 身管壽命評估方法及標(biāo)準(zhǔn)

3.1 身管彈道壽命評估

隨著各國對身管武器壽命的重視，研究人員對身管壽命評估做了大量研究。開展身管壽命評估的目的是：1)考核研制或申請定型火炮身管壽命是否達(dá)到指標(biāo)要求；2)認(rèn)定服役火炮身管壽命終止條件和更換備管時機(jī)；3)用于推動身管壽命技術(shù)研究。

身管的彈道壽命主要取決于身管的抗燒蝕磨損能力，目前彈道性能壽命的評估方法主要有膛線磨損量法、藥室增長量法、累計(jì)射彈發(fā)數(shù)法、初速下降量法等[9]。各方法的技術(shù)特點(diǎn)與不足之處見表2。

表2 身管壽命主要評估方法

3.2 身管疲勞壽命評估

對于身管疲勞壽命評定，國內(nèi)外身管疲勞壽命的確定方法有3種。

1)實(shí)彈射擊試驗(yàn)。能真實(shí)準(zhǔn)確地確定身管疲勞壽命，但人力物資消耗巨大，試驗(yàn)周期長且不安全，不再采用。

2)液壓疲勞模擬實(shí)驗(yàn)。適應(yīng)性強(qiáng)，費(fèi)用低，結(jié)果可靠，操作安全，被英、美、德等多國采用。疲勞試驗(yàn)?zāi)軌蝾A(yù)測身管疲勞壽命，但是裂紋的深度難以準(zhǔn)確測量，需要搭配射線探傷、磁粉探傷和超聲探傷等無損檢測法來測量裂紋深度。

3)利用斷裂力學(xué)理論估算身管疲勞壽命，也是目前國內(nèi)外學(xué)者廣泛研究的方向。

3.3 身管壽命評估相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

目前國家軍用標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中現(xiàn)行的身管壽命評估標(biāo)準(zhǔn)見表3。通過表3可以看出，大部分標(biāo)準(zhǔn)需要通過實(shí)彈試射試驗(yàn)，測定初速下降量、立靶密集度等指標(biāo)，同時通過設(shè)備儀器表征內(nèi)膛磨損程度、身管直度徑規(guī)等性能。

表3 現(xiàn)行身管壽命評估標(biāo)準(zhǔn)及主要技術(shù)內(nèi)容

表3中，GJB 2975—1997《火炮壽命試驗(yàn)方法》需要進(jìn)行大量試驗(yàn)，如磨損射擊(戰(zhàn)斗射速射擊)試驗(yàn)、身管測量檢查、內(nèi)彈道性能檢查、立靶密集度試驗(yàn)、地面密集度試驗(yàn)、導(dǎo)帶性能試驗(yàn)等，并綜合數(shù)據(jù)分析來判定壽命是否符合要求。根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定，出現(xiàn)如下條件之一即認(rèn)為身管彈道壽命終止：1)身管初速下降超過5%～10%(根據(jù)火炮具體要求確定)；2)立靶上出現(xiàn)橫彈數(shù)量超過50%；3)射擊時彈丸導(dǎo)帶全部削光，無膛線印痕；4)射擊試驗(yàn)中，某一特征量超過戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)中規(guī)定的壽命標(biāo)準(zhǔn)。

GJB 2975—1997《火炮壽命試驗(yàn)方法》發(fā)布年代雖比較久遠(yuǎn)，但現(xiàn)行壽命評估標(biāo)準(zhǔn)大多是在其基礎(chǔ)上增加了其他壽命判定指標(biāo)。例如，在2015年發(fā)布的GJB 8702—2015《高炮身管壽命評定準(zhǔn)則》，細(xì)化了不同口徑高炮身管的壽命評估標(biāo)準(zhǔn)，并且涉及到的壽命判定指標(biāo)也較為全面。而GJB 5703—2006《火炮身管剩余壽命通用判別方法》通過測定身管初速下降量、膛壓下降量，分析燒蝕磨損特征量，實(shí)現(xiàn)對身管剩余壽命的定量化評估，評估方法較為先進(jìn)。但該方法較為繁瑣，需要建立火炮特性模型。

4 未來研究方向

通過分析相關(guān)文獻(xiàn)[10-13]可知，一些高校和科研院所基于燒蝕磨損機(jī)理以及試驗(yàn)所得性能退化數(shù)據(jù)，在磨損量評估和身管壽命預(yù)測方面開展研究，通過提出磨損特征值的計(jì)算方法并建立壽命預(yù)測模型，提升了壽命推斷結(jié)論的可信性和準(zhǔn)確性，這對于深入研究燒蝕機(jī)理和壽命預(yù)測都具有十分重要的意義。

但這些方法多為理論模型，未在實(shí)際使用過程中進(jìn)行充分驗(yàn)證，并且單一理論模型無法通用化地用于評估各類火炮身管壽命。結(jié)合實(shí)際工作情況與標(biāo)準(zhǔn)化情況，為更加精準(zhǔn)定量化地評估身管壽命，同時能夠促進(jìn)提高部隊(duì)的管理水平，指導(dǎo)部隊(duì)對火炮的使用，下一步發(fā)展方向應(yīng)是配合身管延壽技術(shù)同期研制身管壽命定量評估標(biāo)準(zhǔn)，建立完善身管壽命技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，重點(diǎn)分析確定不同發(fā)射條件對應(yīng)的力—熱—化學(xué)耦合作用下能夠真實(shí)反映火炮身管壽命的關(guān)鍵性能指標(biāo)，形成適合我國火炮身管壽命的評估指標(biāo)體系。

5 結(jié)語

目前，我國各型火炮在性能方面已經(jīng)走在了世界前列，并且隨著對火炮身管壽命的不斷研究，我國火炮身管壽命也取得了巨大的提升。本文針對目前主要的身管壽命評估方法，對比分析了各類方法的特點(diǎn)和不足，梳理總結(jié)了目前主要身管壽命評估標(biāo)準(zhǔn)，提出了開展壽命評估指標(biāo)體系、加強(qiáng)壽命定量評估標(biāo)準(zhǔn)研制、建立完善壽命標(biāo)準(zhǔn)體系的建議。