大中口径舰炮冷却装置与冷却方案制定机理

游仁华

(中国船舶重工集团公司第七一三研究所，河南 郑州 450015)

0 引言

当前新型武器发展很快，舱面装备大量增加，为了提高全舰作战能力，必须使各种武器装备缩小体积、减轻重量，向小型化、轻型化方向发展。预计在今后相当长的一段时间，大中口径舰炮仍将是各国海军水面战舰的主要武器之一，在现代战争中仍然发挥着积极的作用。为达到适装性、适用性的要求，紧凑化、轻量化已成为舰炮发展的潮流。美军宁可舍弃重量太重，但最大发射率为34发/min及最大供弹率可达40发/min的MK42，而选择发射率只有20发/min，但重量较轻、自动化程度较高的MK45，就是例证之一。

国内在舰炮研制过程中也严格遵循紧凑化、轻量化等先进设计思想，在舰炮总体架构乃至零部件级别等各方面都进行了轻量化设计。本文主要对典型大中口径舰炮冷却装置与方案制定机理进行研究:一方面，着重介绍大口径舰炮战技指标或参数与冷却方式的相关性，论述是否应该像中小口径舰炮那样采用水冷方案的必要性，为发射系统总体结构轻量化设计提供参考。另一方面，探索在大中口径舰炮采取水冷方案的情况下，选取怎样的冷却参数及设计怎样的冷却装置，以达到冷却效果最优且结构最轻的目标。

1 大中口径舰炮冷却装置与方案制定机理

1.1 大中口径舰炮主要战技指标与冷却方案

典型大中口径舰炮见表1。

1)以苏联/俄罗斯为代表的国家研制的舰炮，射速较高，持续射击能力强。如AK－176M型单管76 mm舰炮 (简称AK－176M)，射速达120～130发/min，可在不进行补弹条件下，持续射击2个弹鼓中152发炮弹，并可实现更换弹种。AK－130型双联装130 mm舰炮 (简称AK－130)，射速为30×2发/min，弹鼓储弹量为60×3发。为提高身管寿命，这类舰炮均采用冷却装置。

2)美国、欧盟等西方国家是海军强国，又有多国从事舰炮研发生产，但由于各国国情与对舰炮认知以及设计思想的不同，舰炮发展各具特色。

美国 MK45－1型单管127 mm舰炮 (简称MK45－1)，射速20发/min(制导炮弹10发/min)，弹鼓储弹量为20发，重量轻，适装性好，但射速不高，持续射击能力不强，没有冷却装置。美国155 mm舰炮(AGS)射速10～12发/min，主弹库可携带约300发炮弹，DD(X)舰还有一个可携带约320发炮弹的辅助弹库。为了保证持续发射弹库中的炮弹，并保证身管寿命达到3000发，首次在155 mm口径火炮上采用了冷却装置。

意大利OTO紧凑型单管76 mm舰炮，射速为80发/min(±5%)，射速可调 (10、20、40、60、最大，可调)，弹鼓储弹量从MM1型的59发增加到80发，并可根据用户要求选用 (44发、80发、115发)等结构。快速型单管76 mm舰炮射速更高，可达120发/min。OTO紧凑型单管127 mm舰炮，射速为 40发/min(单，10，20，30，最大，可调)。弹鼓储弹量为22×3发。这类舰炮射速较高，持续射击能力相对较强，也都采用了冷却装置。

法国68型单管100 mm舰炮，射速60发/min，配备储弹量为35发的人工补弹系统，不可更换弹种。紧凑 (MK1)型单管100 mm舰炮，射速为90发/min(10，40，90，可调)，最大供补弹率与射速同步。弹库无人操作时，一次发射最多弹药为114发。这类舰炮射速较高，甚至被当作防空炮使用，均采用冷却装置。此外，MK1型为了提高冷却效果，有1套淡水冷却器，对循环淡水再用海水二次冷却，使冷却速度提高了约4倍，由于该措施，身管寿命可达3000发。

英国MK8型114 mm舰炮，射速为25发/min，供弹系统中转弹盘容纳14发弹。射速低，储弹量少，持续射击能力不高，为减轻重量，去掉冷却装置。不过，身管中部仍有抽气装置，用于清除射击过程中膛内残留的火药气体与残渣。

1.2 战技指标等参量与冷却方式相关性分析

1.2.1 发射药特性

发射药的爆温对身管发热起主导作用，一般发射药的爆温在2500～3700 K，减小身管发热较为有效的办法是研制高能、低温发射药。英国MK8型114 mm舰炮在无冷却装置情况下，如果采用“冷火药”，身管寿命可达5000发。

1.2.2 炮管结构、材料及质量分布

用较高热强度的材料制造炮管时，高温高压区的烧蚀有所缓解、寿命有所提高，但制作炮管的材料不仅需要热强度，还需要一定的韧性及耐磨性。炮管质量分布情况也影响着炮管的温升和寿命，美国Rodman研究所得出的结论为:有效的炮管寿命是正常工作温度及炮管内温度分布的函数，而温度分布是炮管质量分布及射速的函数。

1.2.3 射击方式

几种典型舰炮的射击方式如下:

法国68型100 mm舰炮射击方式:①45发连射;②23 s内射击24发;③连射18发、间隔18 s、共射90发;④连射9发、间隔10 s、共射90发。紧凑(MK1)型100 mm舰炮射击方式:①10 s射击24发;②连射18发、间隔17 s、共射90发;③连射10发、间隔6 s、共射90发。

俄AK－176M舰炮射击方式 (持续射击弹数):①以最大射速时，发射60～70发，停射5～10 s，继续发射60～70发;② 以单发3～10发短点射和10～30发长点射，射完弹鼓中弹药基数;③没有水冷连射不能超过50发，以后自然冷却2 h，或在1 h内以总数不超过50发的任何弹数组射击。

上述射击方式均为各国舰炮资料注明的标准射击方式，当然在紧急情况下，应该是以突击射速方式射完最大弹药数，达到最大毁伤概率。

1.2.4 射速与持续射击能力

舰炮的射速 (发射率)主要取决于发射系统自动循环速率，供补弹系统供弹速率 (装填速度)与身管的热容量等最主要的三大因素。

持续射击能力指在不进行补弹的条件下，持续自动射击的最大弹药数，包括更换弹种。制约持续射击能力的最主要因素为供补弹系统的自动化程度与弹库储弹量。

对于俄式舰炮，供补弹系统大都采用分段供弹方式，即首先由弹库向随舰炮一起联动的弹鼓进行供弹，然后再由弹鼓向发射系统供弹，优点是射速较高，缺点是舰炮回转惯量较大，补弹需人工干预，自动化程度不高，战斗期间不能使持续打击能力得到充分发挥，削弱了武器性能，但这类舰炮显著特点是弹鼓储弹量较多，不同程度弥补了其缺点。欧美等西方国家舰炮供补弹系统常采用扬供输一体化中心扬弹方式，缺点是供补弹路线长，射速不太高，但这类舰炮辅之以全自动化供补弹系统，持续射击能力能得到极大发挥。比如美国AGS尽管射速不高，但因为其独具特色的自动化弹库，具有很强的持续射击能力。

射速是一个非常重要的战技指标，在较高的射速与持续射击能力情况下，可以提高射击火力密集度和毁伤概率。然而，舰炮的射速与持续射击能力是决定身管内膛尖峰温度极为重要的因素，影响到身管在高热状态下的热力学特性。因此，需要在综合考虑射速与持续射击能力等因素的情况下，来决定采用怎样的冷却方案。

1.2.5 冷却方式

1)水冷方式

按冷却水流向分为闭环循环水冷与开放式水冷。闭环循环水冷为身管水冷套将冷却水回流。开放式水冷为冷却水直接排放至甲板。

按冷却身管表面，还可以分为循环水外冷以及内冷。外冷为冷却身管外表面。内冷为向炮膛喷射冷却水雾，如法国紧凑 (MK1)型100 mm舰炮就可向炮膛内喷射水雾降温以提高冷却效果。按冷却装置位于身管的不同位置可分为:内部冷却、层间冷却、外部冷却及混合冷却。例如:英国AS90身管采用冷却装置位于身管内部的内部冷却方式。瑞典“博福斯”57 mm自动高射炮采用的是层间冷却方式。俄罗斯270H自动机采用的就是外部冷却和内部冷却结合的混合冷却方式。大多数舰炮采用的是身管壁包裹冷却水套用以冷却身管外表面的闭环循环水冷方式。合理选择冷却水压力或流量还可达到冷却效率与动力的最佳匹配，如意大利OTO快速型76 mm舰炮为提高冷却效率，从70 L/min提高到80～120 L/min。

2)空冷方式

自然冷却 (空冷)的传热途径是身管内膛的高温燃气通过导热、对流、辐射等方式将热量传向身管，再由身管传至周围空气，冷却效果较低，高射速时不能及时散热。强制空冷为强制向内膛吹气，研究表明也能改善散热效果。对于射速不高且持续射击能力不强的舰炮，如英国MK8型舰炮等采用的是自然冷却 (空冷)方式。

1.3 影响冷却效果的各参量仿真计算

1.3.1 仿真参数内容及目标

以某舰炮为研究对象，建立各种冷却方案的仿真模型，对各种射击方式、战技指标或参数进行仿真与模拟，主要仿真与模拟内容如下:

1)多弹种兼容发射情况下弹药特性

进行多弹种兼容发射情况下不同弹药引起的膛内流场、冷却水套流场与身管流固耦合场数值模拟，分析兼容发射情况下不同弹种发射药燃烧特性、冷却水冷却特性及身管热力学特性。

2)循环闭环水冷及内冷 (向内膛喷水)

分析多弹种兼容发射情况下身管外冷与内冷等不同冷却方式情况下的冷却效果。

3)空冷及吹气 (强制空冷)

分析多弹种兼容发射情况下自然空气冷却与强制吹气冷却等情况下的冷却效果。

4)身管结构及质量分布

分析身管结构、身管长 (不同口径倍数)、外部约束与身管质量分布对冷却效果的影响。

5)射速及持续射击能力

分析多弹种兼容发射情况下，不同射速与持续射击能力对冷却效果的影响。

6)冷却装置材料特性 (钢与轻质材料)

模拟持续射击时冷却装置结构的热力学特性以及在舰炮高速跟踪瞄准过程中冷却水离心力和惯性力作用下不同材质冷却装置结构极限强度可靠性，探讨冷却装置轻量化设计的可行性。

1.3.2 各参量仿真结果

主要对1.3.1节所述的各种情况进行模拟，为节省篇幅，仅列出部分结果，见图1～图6，其他大量的分析数据，可参考文献 ［2］～ ［7］:

图2 常规弹温升 (水冷)Fig.2 Temperature by routine ammunition(air-cooling)

图3 特种弹温升 (空冷)Fig.3 Temperature by special(water-cooling)

图5 流固耦合等效应力Fig.5 Von Mises stress in the fluid-solid coupling field

图6 热平衡变化趋势Fig.6 Changing trend of thermal equilibrium

表2 冷却方案冷却时间数值模拟Tab.2 Simulation of cooling time of cooling scheme

1.3.3 结果分析与结论

根据仿真与研究，主要结论与现象概述如下:

1)射击时发射药是最主要的热源，发射药的爆温对身管发热起主导作用，在多弹种兼容发射情况下，发射药爆温越高，身管发热越高，为了减小身管发热，较为有效的办法是减小身管的热输入。

2)单从冷却效果看，采用“内冷”方式向膛内喷水比循环水冷却外表面效果要好。但内冷造成身管急冷急热，引起热力学冲击的破坏作用。

3)身管壁厚对冷却效果有影响，在身管外壁有凸台之处，温度变化趋势表明传统上采用增加壁厚这种方法来削弱热作用是正确的，但效果不显著，且增大发射系统耳轴前部的重量，危害极大。

4)首发点射结束时刻，热量仅仅波及至极薄的镀铬层附近区域，清楚地体现了强瞬态热传导的热波效应。如某舰炮以最高射速进行一组最大长连发弹药射击后，身管仍未达到热平衡状态。说明对于射速较低且持续射击能力不强的舰炮，采用海水冷却，效果并不明显。

5)增大点射或者连射之间的间隔时间，有利于身管的冷却，但这势必降低持续射击能力与战时对目标的毁伤概率。在制定射击规范时，参照毁伤概率指标要求，尽量采用一个较为合理的点射、连射组合进行射击，并且相应采用一定的间歇时间，如参照表2的快速温降间隔时间t1。

6)对于射速较高与射击能力较强的舰炮来说，热冲击应力远大于膛压作用时的应力，材料在循环的热应力作用下将产生热应变循环，可能导致身管内壁镀铬层产生裂纹及裂纹扩展，甚至剥落。对于速射舰炮需要综合考虑射速与持续射击能力引起的身管热力学效应。

7)热作用对身管外壁约束比较敏感，身管外壁因为安装有其他结构 (如冷却装置)受到约束时，在热作用下热应力－应变急剧增加，最理想的状态是身管外壁无约束或者改善结构的约束分布。

8)对于高射速与较高射击能力的舰炮，增加冷却水压力或流量，的确能较大幅度改善冷却效果。

9)高速跟踪瞄准时冷却水的离心力与惯性力对水套危害不小，对于计划选择轻质或者复合材料制造冷却水套时，需要引起设计者的注意。

2 大中口径舰炮冷却方案制定机理总结

从上述理论分析与仿真计算可以看出，大部分大中口径舰炮，由于受持续射击能力制约，特别是受供补弹系统结构、供弹方式及供补弹路线的制约，就算在紧急情况下，采用突击射速提高毁伤概率，大部分舰炮的高射速也只能维持1～2min左右。这些舰炮炮弹射完后就只能维持较低射速 (人工或半自动补弹)，或者撤出战斗补给弹药。对于某些射速不高、持续射击能力不强的舰炮，为了优化总体结构，取消了水冷却装置。

在强调舰炮具有较高的发射率和持续射击能力的设计理念下，为了抑制身管“过热”，提高身管寿命，典型大中口径舰炮通常都装有水冷装置，如俄罗斯、法国以及意大利等国家的舰炮。

随着大中口径舰炮在未来海战中的作用和地位不断变化，欧美国家都集中在以大中口径舰炮为发射平台，研究远程精确攻击制导炮弹等信息化弹药以适应大中口径舰炮向精确、远程、高效等方向迅速发展的时代需要，未来舰炮的射程越来越远，对突击射速的要求不像以前那样高，而对精度的追求却有增无减，要求现代化大中口径舰炮具有远程精确打击能力和具有持续火力支援能力 (持续射击能力)，在这方面，美国AGS代表了大口径舰炮的这种发展思路，对于这类舰炮通常需采用冷却装置以提高身管使用寿命。

综上所述，尽管各国舰炮设计理念与发展目标各异，但从相关国家各型舰炮冷却方案的制定机理情况来看，始终与特定舰炮的战技指标或众多内在参数优化目标有关。比如，某些大中口径舰炮相对于小口径舰炮来说，射速以及持续射击能力均不高，没水冷装置似乎影响不大，如英MK8型114 mm舰炮与美国MK45－1型127 mm舰炮等都取消了冷却装置，毕竟冷却水套的负面影响因素是很显著的。射速较高、持续射击能力相对较强的舰炮，如俄罗斯、法国与意大利等国家舰炮均采用了水冷装置。对于射速较低而持续射击能力很高的舰炮，如美国AGS也采用了水冷装置。

3 结语

为因应大中口径舰炮轻量化发展目标，提高适装性、适用性要求，我们对舰炮轻量化进行了大量的探讨研究，本文以理论对比分析与计算机仿真模拟相结合的方法，分析各种参数与因素对冷却效果的影响，探索大中口径舰炮冷却方案制定机理与依据，为舰炮冷却方案制定、冷却装置与发射系统总体结构轻量化设计提供理论支持。

［1］杨宇刚，等.国外舰炮技术与发展［J］.舰载武器，2007.YANG Yu-gang，et al.Foreign naval gun technology and its development［J］.Shipborne Weapons，2007.

［2］游仁华，陈汀峰，李翔.舰炮射击过程中的速射效应问题分析［J］.水面兵器，2006，15(1):26 －30.YOU Ren-hua，CHEN Ting-feng，LI Xiang.Analysis of rapid firing effect issue when naval gun firing［J］.Surface Weapons.2006，15(1):26 －30.

［3］游仁华.舰炮射击规范与身管寿命相关性分析［J］.水面兵器，2010，19(1):35 －38.YOU Ren-hua.Analysis ofthe coherence offiring specification with barrel life of a naval gun ［J］.Surface Weapons，2010，19(1):35 －38.

［4］游仁华.舰炮连发射击时热冲击对身管寿命的影响分析［D］.郑州:中国舰船研究院(郑州机电工程研究所)，2006.YOU Ren-hua.Analysis of the effects of thermal shock when naval gun continually firing on barrel life［D］.China Ship Institute(Zhengzhou Electromechanical Engineering Research Institute)，2006.

［5］游仁华.舰炮持续射击时身管热－力学动态特性分析［J］.舰船科学技术.2007，29(1):58 －61.YOU Ren-hua.Analysis of the dynamic characteristics of thermodynamics of barrel when naval gun continually firing［J］.Ship Science and Technology.2007，29(1):58 －61.

［6］游仁华，陈汀峰.某型舰炮膛内对流换热数值分析［A］.杜庆华.力学与工程应用(第11卷)［C］.北京:中国林业出版社，2006:24－27.YOU Ren-hua，CHEN Ting-feng.Numerical analysis of the convection heat transfer in a naval gun bore［A］.DU Qinghua.Mechanics ＆ Its Application(Vol11)［C］.Beijing:China Forestry Press，2006:24 －27.

［7］游仁华.舰炮射击过程中的瞬态热响应数值模拟［J］.舰船科学技术，2006，28(6):53 －56.YOU Ren-hua.Numerical simulation of transient thermal response of barrel when naval gun firing［J］.Ship Science and Technology.2006，28(6):53 －56.

［8］张丽静.舰炮身管冷却分析与优化［D］.南京:南京理工大学，2011.ZHANG Li-jing.Analysis and optimization of barrel cooling of a naval gun［D］.Nanjing:Nanjing University of Science＆ Technology ，2011.