火炮身管寿命研究❋

蒋泽一，李 强，薄玉成

（中北大学 机电工程学院，山西 太原 030051）

0 引言

身管是火炮的重要部件之一，其使用状况直接影响武器的运用效果和人机功效。身管寿命是火炮自动武器的一个重要的评判指标。

火炮发射过程是一个极其复杂的过程，它包括多种形式的运动以及能量转换。火炮身管在一定程度上可视为超高压压力容器，其核心作用在于把火药气体的热能转化为弹丸运动的动能。在此过程中，还伴随着火药点、传火产生的压力波的传递和反射，弹体与膛壁的摩擦与传热等复杂问题。显而易见，上述各种现象的产生、发展不是孤立的，而是相互影响、相互渗透的，它们共同构成了身管受力的复杂过程。

在现代战争条件下，越来越追求高膛压、高初速的火炮，因此，推进对身管寿命的深入研究具有重要的理论意义和实用价值。

1 身管寿命概念

对于枪炮而言，身管寿命包括损伤寿命和疲劳寿命。

1.1 损伤寿命

损伤寿命是指经过若干次射击后，身管由于内膛烧蚀磨损而达不到规定的弹道性能所构成的损伤寿命。

射击时，身管在高温下受热膨胀，身管受热应力而产生一定的向外径方向的弹性变形，必须给身管一定的弹性变形空间。如果身管在弹性变形时受到某方面的约束，这样身管在受热应力的同时，还会受到拉应力或压应力，几种应力耦合叠加后若超过身管的强度极限，身管就会产生塑性变形，同时，身管在弹变时接触到约束，会由于热应力还未消失而向相反的方向膨胀，如果膨胀超过回复位置，使身管内径变小，此段就形成了缩径。

弹丸在膛内高速运动时，弹体强烈挤压膛线导转侧。当弹体挤压膛壁的压强高于身管材料的屈服极限时，阳线薄弱部位发生形变。轻则塑形变形，形成凹坑；重则致使阳线脱落，丧失导转功能。概括地说：弹体在膛壁约束下前进，膛线被拉伤。

由于身管损伤导致线膛身管内膛结构发生变化，膛线导转侧施加给弹丸上的力不再有规律性，弹丸出炮口速度不能满足弹丸旋转稳定性的要求。弹丸散布增大，射击精度下降，亦即身管不能满足火炮的技术和战术要求指标而告寿终。

1.2 疲劳寿命

身管作为周期受载荷作用的压力容器，还要受疲劳寿命的影响。

疲劳寿命是指机械或结构直至破坏所作用的循环载荷的次数或时间。具体在火炮使用的语境下，身管疲劳寿命是指身管在发生疲劳破坏前所能发射的当量全装药的射弹数目。

从疲劳损伤的发展过程看，火炮身管的疲劳寿命可以分为裂纹形成、裂纹扩展和快速断裂3个阶段。裂纹形成寿命和裂纹扩展寿命合称为火炮身管疲劳全寿命。在最后一阶段，将出现不可逆转的裂纹失稳扩展，身管会很快断裂不可用。

实战和训练所得的大量数据表明，火炮身管通常在一二百发炮弹射击后，膛内表面裂纹深度即可达0.5mm～1.0mm。

2 身管延寿措施

从历史上看，身管寿命问题一直与火炮的发展相伴相生。目前，身管延寿的措施很多，下面分别从结构、工艺、材料等几个方面具体阐述。

2.1 身管结构

弹带的结构、材料以及炮膛尤其是炮膛起始部的结构对身管的寿命有着重要的影响。改善火炮的膛线结构及弹带材料可以减轻内膛的损伤状况，从而有效地提高身管寿命。

2.2 生产工艺

表面技术可以从材料层面提高工件的机械性能，延长工件的使用寿命。有关资料表明，将镀铬、激光淬火、超声波强化等成熟技术引入身管内膛表面处理，均可不同程度地改善内膛的力学性能，提高身管寿命。

2.3 身管材料

复合身管由两层或两层以上相异材料构成。较之普通身管，其高强度与高刚度的特点尤为突出。在高膛压、高初速的技术和战术要求背景之下，应用发展条件成熟的复合材料还可以达到减重的目的，对提高火炮的机动性和火力的及时性有着重要的意义。

复合材料身管的制备工艺有复杂性的一面，需要深入研究其工艺规程，形成较为成熟稳定的生产流程，进而缩短生产周期，降低生产成本。发射过程中，多层复合材料间温度梯度造成的身管变形问题是一个值得关注的研究方向。

3 结论

在以上工作的基础上，我们得到以下具有指引意义的有益结论：

（1）在发射时，火炮身管经历的是一个反复加卸压、升降温的过程。这一过程中，身管受载情况不仅随着装药量、装药点火方式的不同而变化，还不可避免地受到身管内膛与弹丸的相对运动作用以及弹带与膛壁、膛线之间的相互挤压作用等。简言之，身管是由于内膛损伤和材料疲劳而导致寿终的。

（2）要深入研究身管寿命问题，必须从药、弹、炮三方面全局考虑。

（3）必须在大量实弹射击的基础上钻研数学、力学知识，才有可能建立起一套完整可行的寿命预测公式。

［1］甘霖，陶凤和，卢兴华，等.火炮身管延寿研究［J］.火炮发射与控制学报，2006，9（3）：10-14.

［2］潘玉田.炮身设计［M］.北京：兵器工业出版社，2007.

［3］金志明，袁亚雄，宋明.现代内弹道学［M］.北京：北京理工大学出版社，1992.