射速和射击方式对速射火炮身管温度的影响

李鹏辉， 李 强， 李世康

(1. 中国船舶重工集团公司 第七一三研究所， 河南 郑州 450015； 2. 中北大学 机电工程学院， 山西 太原 030051)

小口径舰炮射速高(3 000～10 000 rds/min)、 备弹量大(1 000～2 000 发)， 并且具有快速补弹能力. 在极端射击情况下， 身管温度很高， 为保证武器系统的作战效能， 通常要求身管极限温度为400 ℃[1]. 文献[2]建议射击规范应以内膛瞬时温度不超过1 250 ℃、 击发瞬间内膛表面温度不超过580 ℃为原则来制定. 小口径舰炮的发展趋势是进一步提高射速以增大武器系统的命中概率[3]， 对于转管炮， 既可以提高单自动机的射速， 也可以将转管炮组合成多联装火炮， 如俄罗斯的“卡什坦”系统,多联装可以在不提高单个身管射速的情况下成倍提高火炮射速. 单自动机射速的提高， 对单个身管的温度会产生一定的影响， 同时温度对身管炮钢材料参数具有显著影响[4-5].

身管温度在内膛烧蚀磨损破坏中起着重要作用[6]， 可影响身管寿命， 本文以单自动机身管提高射速为研究对象， 从传热学方面来分析射速对身管温度的影响. 采用合理的射击方式可以提高身管寿命[7-8]， 本文分析了三种射击方式对身管温度的影响.

1 身管轴对称热传导方程

在连续发射时身管需承受强烈的热冲击和压力载荷作用， 根据热力学和传热学理论可导出热传导基本方程[9]为

式中：Q为单位时间内吸收的能量；T0为物体初温；e为总应变；U为热应力系数；k为导热系数；c为比热容；ρ1为材料密度.

2 身管有限元模型的建立

2.1 身管有限元模型

身管由极薄的铬层和炮钢基体组成， 身管基体物性参数[8]见表 1. 可见铬层和炮钢的导热系数、 弹性模量和热膨胀系数差别较大.

表 1 身管材料属性

以30 mm口径身管最高膛压截面作为研究对象， 并假设身管内外壁光滑无损伤. 基于对称性， 为减少计算时间， 选用该截面四分之一模型， 铬层与基体通过GLUE连接在一起， 选用热-结构直接耦合平面单元plane13， 采用映射网格划分模型. 因内壁温度载荷的剧烈变化， 对身管内壁薄层进行细化. 建立的有限元模型如图 1 所示.

图 1 身管有限元模型Fig.1 Finite element model of the barrel

2.2 边界条件

在内弹道和后效期时期， 火药气体以对流传热方式向身管传热， 忽略热辐射和热传导， 采用修正某些参数的方法间接考虑[6]. 相对实际未考虑的部分， 文献[10]采用修正换热系数的方式使模型接近实际.

身管传热计算的边界条件简化为： 内壁环境温度、 内壁对流放热系数、 外壁环境温度及外壁对流放热系数. 内壁环境温度由内弹道时期[11]、 后效期[12]和射击间隔决定， 其温度方程为：

1) 内弹道时期[13]

Ts(t)=[1-(k-1)hqv2(t)/(2fwj)]·T1,

式中：v(t)为弹丸运动速度；k为绝热系数；h为虚拟系数；q为弹丸质量；f为火药力；w为装药量；j为火药燃去百分比；T1为火药爆温.

2) 后效期

Tgh(t)=Tgh0(1+Bt)-2,

式中：B为流动强度指数.

3) 射击间隔

射击间隔内壁空气流入身管内,将身管内温度简化为环境温度293 K. 内壁对流放热系数由火药燃气放热系数[14，15]和射击间隔对流放热系数组成.

火药燃气放热系数为

h=0.5r1cpρ2v,

式中：r1为无因次摩擦系数；ρ2为火药燃气密度；V为火药燃气速度；cp为火药燃气定压比热容.

射击间隔， 身管内壁以自然对流方式向大气放热， 用相似原理求解对流放热系数. 身管外壁以空气对流方式放热， 身管外壁对流放热系数为

Nu=0.22(kd/υ)0.6,

式中：k为外壁空气流动速度， 取为3.77 m/s；d为身管外径；υ为空气导热率.

3 身管温度分析

参考现有国外小口径转管炮单管射速和连发数， 基于上面建立的有限元模型， 本文首先分析了不同射速(600, 800, 1 000 rds/min)时射击40发后冷却60 s时的身管内外壁温度； 然后分析了40发弹以射速600 rds/min分别以两组射击方式和四组射击方式时的身管温度. 两组射击方式指两个20个连发， 间隔15 s， 两组射击完毕后冷却60 s； 四组射击方式指四个10连发， 每组间隔15 s， 四组射击完毕后冷却60 s.

3.1 射速对身管温度的影响

各发射率对应的两发间隔时间有较大的差别， 见表 2， 可以看出射速越高， 每发射击间隔时间越短. 相比射速1 000 rds/min， 以600 rds/min射击时每发弹击发后多出0.04 s的冷却时间， 以800 rds/min 射击时每发弹击发后多出0.015 s的冷却时间.

表 2 各发射率对应的射击时间间隔

图 2， 图 3 是以三种射速各射击40连发， 每发弹射击完成后对应的内、 外壁温度.

图 2 每发射击结束后身管内壁温度Fig.2 Inside-wall temperature of gun barrel after every round firing

40连发结束时， 相比射速为600 rds/min的内壁温度， 800 rds/min 时的内壁温度升高了73 K， 1 000 rds/min 时内壁温度升高133 K， 可以看出相同射弹数， 射速越高， 射击过程中内壁温度越高. 随着射弹数的增加， 不同射速内壁温差逐渐增大. 40连发结束时， 外壁温度还没有明显升高(射速600 rds/min时外壁升高了38 K)， 相比射速600 rds/min时的外壁温度， 800 rds/min 时的外壁温度降低17 K， 1 000 rds/min 的外壁温度降低26 K. 可以看出相同射弹数， 射速越高， 外壁温度越低， 随着射弹数的增加， 不同射速外壁温差增大. 相同射弹数时， 射速越高， 内壁温度越高， 外壁温度越低， 即射击时间间隔越短， 越不利于身管内壁热量向外壁传递. 因此， 相比高射速， 低射速降低了内壁温度， 有效降低了射击过程中内外壁的温差.

图 3 每发射击结束后身管外壁温度Fig.3 Outside-wall temperature of gun barrel after every round firing

以三种射速分别进行40连发， 射击完毕后冷却60 s， 身管内外壁温度对比如图 4， 图 5 所示.

图 4 冷却60 s内身管内壁温度变化曲线Fig.4 Inside-wall temperature variation curve of gun barrel in 60 s cooling

可以看出， 冷却过程中各射速的身管内外壁温度有较大变化. 在射击完毕后冷却10 s， 射速为600 rds/min 的内壁温度从820 K降低至462 K， 外壁温度从331 K升高至453 K； 射速为800 rds/min 的内壁温度从893 K降低至457 K， 外壁温度从314K升高至447 K； 射速为1 000 rds/min 的内壁温度从953 K降低至 453 K， 外壁温度从305 K升高至443 K， 可见三种射速内外壁温度快速趋于一致. 在冷却15～16.5 s 后每种射速内外壁温度基本相同， 相差不大， 外壁温度分别为455， 450， 455 K. 在前15 s冷却时间内， 内壁温度快速下降， 外壁温度快速升高， 以身管热传导为主要的降温方式， 15 s以后身管内外壁温度均缓慢降低(15 s至60 s， 内壁降低5 K， 外壁降低6 K)， 以外壁空气对流传热为主要的降温方式. 故在40连发结束后， 冷却15 s 对降低内壁温度很重要， 15 s内身管内壁热量经传导后， 与外壁温度基本一致， 有效地降低了下一次射击时身管内壁的起始温度. 冷却至60 s时， 各射速身管温度基本一致.

图 5 冷却60 s内身管外壁温度变化曲线Fig.5 Outside-wall temperature variation curve of gun barrel in 60 s cooling

3.2 射击方式对身管温度的影响

图 6 是以三种射击方式分别射击40发弹， 每发射击后身管温度对比图. 由图 6 可以看出， 在前10发相同射弹数下， 这三种射击方式身管内、 外壁温度分别相同； 在第11发至20发相同射弹数下， 一组射击方式与两组射击方式身管内外壁温度分别相同. 与前两种射击方式身管温度相比， 四组射击方式身管内壁温度低(最小相差70 K)， 外壁温度高(最小相差41 K). 在第21发至30发相同射弹数下， 两组射击方式和四组射击方式身管内、 外壁温度基本一致(两组射击方式内、外壁温度分别低3 K)， 与一组射击方式身管温度相比， 四组射击方式内壁温度较低(最小相差104 K)， 外壁温度较高(最小相差72.5 K)； 在第31发至40发相同射弹数下， 两组射击方式身管内壁温度低于一组射击方式内壁温度(最小相差59 K)， 四组射击方式内壁温度低于一组射击方式内壁温度(最小相差122 K)， 两组射击方式身管外壁温度高于一组射击方式外壁温度(最小相差50 K)， 四组射击方式身管外壁温度高于一组射击方式外壁温度(最小相差94 K)。 两组射击方式和四组射击方式身管在每组间隔时间冷却， 使身管内外壁温度接近一致(内壁温度降低，外壁温度升高)，从而有效降低下一组射击时身管内壁温度，减小内外壁温差， 同时相对于两组射击方式， 四组射击方式进一步缩小了射击后身管内外壁温差.

图 6 三种射击方式每发射击后身管温度Fig.6 Temperature of gun barrel after every round firing with three shooting criterions

图 7 为40发弹以三种射击方式射击完毕后身管温度对比图.

图 7 三种射击方式冷却60 s内身管温度变化曲线Fig.7 Temperature variation curve of gun barrelin 60 s cooling with three shooting criterions

由图 7 可以看出， 三种射击方式射击完毕后冷却10 s， 一组射击方式内壁温度从820 K 降低至462 K， 外壁温度从331 K升高至453 K； 两组射击方式内壁温度从763 K降低至466 K， 外壁温度从383 K升高至460 K； 四组射击方式内壁温度从697 K降低至470 K， 外壁温度从425 K升高至465 K. 三种射击方式内外壁温度快速趋于一致， 在15 s时三种射击方式内外壁温度基本相同， 一组射击方式外壁455 K， 两组射击方式外壁461 K， 四组射击方式外壁466 K. 同时， 外壁温度开始缓慢降低， 主要以空气对流方式进行冷却. 从15 s冷却至60 s， 三种射击方式的身管温度均降低了5 K.

4 结 论

1) 通过对某速射火炮身管在三种射速下射击进行传热分析， 得出相同射弹数时， 自动机提高射速后增加了射击过程中身管内壁温度， 增加了射击过程中身管内外壁的温差， 对身管射击后存储的热量影响很小.

2) 通过对身管在三种射击方式下射击进行传热分析， 得出相同射弹数时， 多组射击方式可以有效降低射击过程中身管内壁温度， 缩小身管内外壁温差， 这三种射击方式对身管射击后存储热量影响很小.

本文对小口径舰炮提高射速以及射击规范的制定提供一定的参考.

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