火炮身管损伤的研究

蒋泽一，李 强，薄玉成，吴 方

（1.中北大学 机电工程学院，山西 太原 030051；2.国营847厂，陕西 西安 710000）

0 引言

火炮和自动武器是以火药为能源，利用火药在管形发射具内燃烧产生的气体能量发射弹头的武器，属于管射武器的一种。身管是影响和决定弹头初速、转速、射角和射向的关键零件，也是工作条件最恶劣、寿命最短的零件，在制造工艺上最复杂、技术要求最高。

身管损伤导致身管表面状况和尺寸发生变化，这种变化使弹丸在膛内的运动失去规律性和初速下降，造成弹道性能变差、弹丸的散布精度变差、弹丸飞行失稳及射程减小。本文将对身管损伤进行详细研究，为火炮身管的设计、制造提供参考。

1 身管损伤的定义

身管损伤包括身管内膛的磨损与烧蚀，它们是身管寿命告终的根本原因，是身管在正常膛压下射击的基本失效过程。

火炮身管烧蚀磨损是由于发射弹丸引起的热、机械、化学等多方面因素同时作用于身管膛面而产生的一种膛面损坏的复杂现象，这种损坏现象会导致膛内压力和弹丸初速的下降、射弹散布增大、射程和精度下降直至报废［1］。

身管内膛产生磨损和烧蚀的机理很复杂，尚未弄清，但总的概念已基本形成。热作用贯穿始终，冷热交变应力一直存在，身管内膛的损伤主要是在射击过程中，火药高温燃气流和弹丸对膛壁金属直接作用形成的。一般燃气作用造成的损伤习惯认为是烧蚀，弹丸高速磨削作用造成的损伤认为是磨损，烧蚀和磨损之间有一定的关系，两个因素结合起来，并在冷热作用下逐步发展。

2 导致身管损伤的主要因素

身管损伤的原因可分为内因和外因两类。内因是枪管内膛材料和结构的高温强度低；外因主要是火药气体燃烧时产生的高温、高压、高速气流作用于膛壁和弹头，以及弹头运动对膛壁的冲击、挤压和摩擦。内外因的综合影响，使射击时内膛材料组织发生质的变化，引起烧蚀磨损和尺寸变化（口径增大），使初速下降突增，以致寿终。

2.1 火药气体的热烧蚀

在影响火炮身管内膛烧蚀磨损的诸多因素中，热起主导的作用。发射时，膛内火药气体温度高达2 000℃～3 500 ℃，膛面金属层瞬时温度可达1 000 ℃以上，在这一温度下身管内表面会形成烧蚀层，使该金属层质地变脆，熔点降低；连续射击时，由于反复热－冷循环，在内表面产生烧蚀龟裂纹，随着射弹数的增加，裂纹增多增长并不断加深，在弹带与膛面之间形成狭缝，弹后高压气体以极高的速度（达2 000 m／s以上）冲过这些狭缝，又使膛面温度急剧升高，以致达到熔点，造成严重冲刷。

2.2 火药气体的化学烧蚀

火炮发射时会产生高温、高压，炮管内膛会产生一系列的化学反应，进一步加剧了火炮身管内膛的烧蚀磨损。无论是使用高火焰温度的双基发射药，还是低火焰温度的单基发射药，火炮身管内膛表面都会形成FeO、FeC、FeN 等一些铁基化合物以及奥氏体、马氏体等，这些产物的熔点比钢低250K～300K，会在低于钢熔点下熔化，并被火药气体冲刷掉［2］。火药气体中碳元素浓度增加，降低了钢的强度和导热性，导致钢熔点降低，更易被火药气体冲刷掉。

2.3 弹管耦合作用

火炮的初始内弹道过程，即从弹丸起动至弹带全部挤进身管这一过程对内弹道性能具有重要的影响。弹带挤进坡膛过程中，弹带和膛面之间的机械磨损使炮膛直径增大、药室增长；弹丸在膛内运动时，阳线的顶部和导转侧受到弹带的机械磨损使径向尺寸扩大，弹带及弹体都会对炮膛内壁表面产生挤压力和摩擦力，加剧了炮膛的磨损。

3 延长身管寿命的主要措施

身管损伤是高温火药气体和弹丸对身管内膛的物理、化学和力学的综合作用结果，可从发射药、身管、弹及使用4个方面采取措施延长身管寿命。

3.1 发射药

3.1.1 装药结构

装药结构包括随行装药、提高装填密度等措施。在装药结构中加入护膛衬里、可燃药筒等吸热或低放热元件，使接近膛面的燃气温度降低。

3.1.2 改变发射药

（1）用粒状药代替管状药：由于管状发射药在膛内不易流动，因此其燃烧时产生的热量往往集中在膛线起始部，造成膛线起始部烧蚀磨损更为严重，而粒状发射药在发射时随火药气体一起流动，可以使热量均匀分布，缓释了膛线起始部的高温，减缓了烧蚀磨损的速率。

（2）液体发射药：液体发射药是利用液体燃料作为能源的化学推进剂，是利用液体推进剂燃烧产生的高压燃气做功来推动弹丸的，分为单元液体发射药和双元液体发射药。液体发射药的能量比固体发射药一般要高30%～50%，可以显著提高弹丸初速、增大射程。由于液体发射药具有低爆温以及可降低最大膛压的特点，因此可以有效地减少火炮身管内膛的烧蚀磨损。同时，由于其易于储存且成本低，越来越受到各国军方的重视［3］。

3.1.3 添加缓蚀添加剂

为减少内膛热输入，除从火药和弹带上采取措施外，还可以依靠添加剂。缓蚀添加剂可以在发射瞬间在身管内壁形成绝热、润滑或冷气层，能显著减小火炮内膛热的输入，是一种有效减小烧蚀磨损的方法。陈永才等人用捏合法制备的含纳米添加剂的发射药为缓蚀添加剂的发展提供了一个新的方向［4］。火炮不同，弹不同，缓蚀添加剂效果悬殊，所以确定缓蚀机理，加强缓蚀稳定性是发展缓蚀添加剂的当前目标。

3.2 身管

3.2.1 身管的设计

合理的内膛设计可使弹丸嵌入膛线时是逐渐的，而不是突猛的，如用渐速膛线代替常用的等齐膛线。弹丸在整个膛内运动应当由缓而平稳加速，承受的压力比较稳定，如用弧形膛线，使阴、阳线之间没有棱角与突变。

3.2.2 材料的选择

当前火炮向高膛压、高初速和高射频发展，对材料性能要求越来越高。对火炮身管材料不但要求有高强度、高韧性，而且要求耐烧蚀、提高寿命。为提高膛面抗烧蚀能力，曾研究了热强钢身管、耐热合金内衬和复层保护技术。

3.2.3 制造工艺

从冶金工艺、锻压、热处理、涂镀层等一系列新工艺、新技术等方面进行有机配合，进一步提高炮钢材料的综合性能和炮管的使用寿命。如使用难熔金属涂镀层或衬管，使膛面熔点提高。为减少对炮膛的磨损，正在研究新的材料，如纯铁、陶铁及工程塑料等。

3.3 弹

为使弹带切入膛线容易，一些低膛压线膛炮使用了刻槽弹，由于基本上不存在挤进压力，所以最大膛压降低。近年来一些火炮的弹丸采用带凸台的弹带，如旧式85mm 高射炮采用凸台弹带弹丸使寿命提高了两倍。

3.4 使用

适当改变射击规程，使身管散热快、热容量大，保证一个射击循环内的温升低于材料的相变温度，如加大相邻射击时间间隔，改连射为点射等。

4 结论

为适应现代战争的需要，各国对火炮的威力都不断提出了更高的要求，主要表现在初速提高、射程增大和提高射速等方面。提高初速必然加快身管的内膛磨损，而提高发射速度即连续射击时膛面温度急剧升高，加上高能发射药的应用，必然使内膛烧蚀加快，身管损伤会严重影响身管寿命从而阻碍火炮威力的提高，所以对火炮身管损伤的研究意义重大。

［1］ 张喜发，卢兴华.火炮烧蚀内弹道学［M］.北京：国防工业出版社，2001.

［2］ 张振山，吴永峰.炮管内膛烧蚀磨损现象的分析［J］.装甲兵工程学院学报，2003，17（2）：67－68.

［3］ 程石，孙耀琪.液体发射药火炮及其发展趋势［J］.国防技术基础，2008（4）：51－54.

［4］ 陈永才，宋道志，王建中.含纳米添加剂发射药的烧蚀性能研究［J］.兵工学报，2007，28（3）：329－331.