火炮身管寿命评估预测

焦贵伟，胡朝根

(陆军炮兵防空兵学院 a.研究生大队； b.兵器工程系， 合肥 230031)

现代火炮是战场上常规兵器的火力骨干，是目前世界各国军队装备数量最多，使用最频繁的武器装备，一直素有“战争之神”的美誉，在现代战争中具有不可替代的地位[1]。对于大中口径火炮来说，由于火炮身管购置费用较高，约占全炮购置费用的30%～40%，因此火炮身管寿命决定了火炮寿命。火炮射击过程极为复杂，身管更是射击时的核心部件。弹丸点火后产生的高温高压高速的火药燃气对身管内膛的热化学作用以及弹丸自身对内膛的机械作用，使得内膛的尺寸形状慢慢发生变化，结构遭到破坏，进而导致内弹道性能变化，降低火炮的性能，使身管寿命退化。身管不断耗损到一定程度，轻则火炮无法完成射击任务，贻误战机，重则造成弹丸早炸、炸膛等重大事故[2-3]。

研究火炮寿命，其主要是从大量影响火炮寿命的因素中，找到并确定能够真实反映火炮寿命变化规律的判别参量，通过该判别参量，既能对火炮的寿命进行预测和判别，也能够对任一磨损状态下火炮的剩余寿命进行评估。

研究火炮寿命的意义是非常重要的，主要有以下两方面：

1) 有利于指导部队对火炮的使用。火炮寿命的退化直接影响火炮战技性能的发挥，影响作战任务的完成，比如初速下降影响射击的精度。有了寿命预测理论，可以对射击精度进行修正，实现火炮精准射击要求，更好发挥装备潜力和部队战斗力。

2) 有利于提高部队平时和战时对火炮的科学管理水平。我军的军械管理工作，长期以来停留在经验管理的水平上，多项管理指标没有达到量化管理程度，特别是火炮剩余寿命，部队更无法检测。有了火炮寿命定量评估体系可以为火炮维修、保养、分级、报废等提供科学根据，把军械管理工作从过去的经验管理提高到科学管理的新水平，提升我军的军械保障能力。

1 国内外研究概况

1.1 身管寿命终止标准及寿命定义的分类

寿命定义的实质是寿命终止标准的判定。在各种火炮教材、学术论文、火炮设计手册、火炮试验军用标准等资料中关于身管寿命终止的定义和判决也不尽相同。绝大多数文献都从弹道性能丧失的角度对身管寿命进行了定义。而我国火炮试验军用标准和苏联火炮试验方法从战斗性能丧失的角度对身管寿命进行了定义。总的来说，寿命终止标准多从以下几个方面考虑：①初速下降量；②弹丸飞行失稳(出现横弹，近弹、弹带削光)；③立靶或地面密集度超过规定值；④引信瞎火或弹丸弹道早炸。一般认为，最先达到其中一个指标即为寿命终止[4]。

根据不同终止标准可以得到不同身管寿命定义，表1所示为身管寿命的不同分类。

1.2 火炮身管寿命评估预测技术发展

随着火炮性能(高温、高初速、高膛压)的不断提高，火炮身管寿命问题日益突出。身管寿命问题严重制约着火炮射击效果的发挥，火炮的维修保障水平的提高，因此各国专家都高度重视身管寿命问题的研究，迄今为止，已经取得了诸多进展。其发展历程可分为以下4个阶段[5]。

1) 第一阶段(20世纪70年代以前)

早期的身管寿命 预测方法主要是采用经验公式，在一定的假设条件下，通过大量的实验数据拟合获取身管寿命耗损规律。

1911年，Jones提出最早的火炮身管寿命计算模型

(1)

式中：N为身管寿命发数(发)；v为火炮初速(m/s)；d为身管直径(mm)；P为最大膛压(MPa)；A为经验常数。

此外，还有像比如安宁公式、卡波公式、斯鲁哈斯基公式等身管寿命发数预测公式。这些公式反映了初速、膛压及身管口径与身管寿命一定的关系，但与实际情况相比存在相当大的误差。这些经验性公式没有完善的理论依据，适用性较差，但对于当时的技术水平而言，具有一定的指导意义和应用价值[6]。

20世纪60年代，美国火炮试验人员从大量火炮试验数据中总结得出火炮射击时不同弹药等效系数换算的经验公式

EFC=(Pm/Pm1)0.4(ω/ω1)2(v0/v01)(E/E1)

(2)

式中：Pm、ω、v0、E分别为需等效的膛压 、装药量、初速、发射装药比能；Pm1、ω1、v01、E1分别为标准弹药的膛压 、装药量、初速、发射装药比能。

我国学者在编写常规兵器定型试验方法时，参考该经验公式，依据我国火炮实验数据做出相应简化，提出适用于我国火炮身管的等效寿命系数计算公式[7]。

等效寿命换算的经验公式表明研究人员已经将火炮身管寿命问题逐步定义到弹道寿命问题上，取得了重大的进步，但该经验公式存在一定误差，需进一步完善。

2) 第二阶段(20世纪70年代到90年代)

20世纪70年代以后，火炮技术快速发展，火炮威力、机动性等大幅提升，身管寿命问题更加严重，在这一背景下，各国研究人员做出了大量富有成效的工作，提出了以药室增长量法、累计射弹发数法、初速下降量法等多种身管寿命检测评定方法。表2为3种寿命检测方法[8]。

表1 身管寿命定义分类

表2 3种寿命检测方法

在对比上述方法的缺陷后，各国专家慢慢发现，影响身管寿命退化的关键原因在于火药燃气和弹丸对身管内膛的烧蚀磨损。研究人员从火炮弹道性能和火炮极限寿命方面分析判断膛线径向磨损量至少在一定程度上表征了身管的寿命，提出了运用身管内膛定点径向磨损量对身管寿命进行评估预测的方法，并设计了多种径向磨损量测量设备。实践证明，以径向磨损量为变量因子建立的数学模型能够较为准确地反映身管弹道性能的变化规律[9]。

膛线径向磨损量判别法一经提出，就获得各国学者的普遍认可。至今，身管寿命实际评估预测过程中最有效的方法仍然是径向磨损量法。

3) 第三阶段(20世纪90年代至2007年)

在确定身管寿命下降是由于烧蚀磨损造成的并提出了膛线径向磨损量判别法这一新方法之后，由于径向磨损量可以明显表征身管寿命下降量，各国在身管寿命预测技术方面的研究重点变为对膛线径向磨损量测量技术的探索。经过大量实践研究论证，我国将阳线起始点处的径向磨损量定为判别标准，但是西方国家的判别标准与我国略有不同，而是阳线起始点向炮口处增加一英寸处的径向磨损量。

同时，在这一时期，各国在大量身管径向磨损量的试验数据基础上，发现火炮弹道性能的变化仅决定于膛线径向磨损量的大小，而与径向磨损量变化过程即火炮使用条件无关的结论。这一重要结论使得身管寿命问题的研究变得简单，径向磨损量一旦测量出来，就可以进行身管寿命的评估预测。因此，这一时期，许多不同测量原理的径向磨损量测量装置应运而生。但是，大量实践表明，测量装置在测量身管径向磨损量时有一定的误差，有待于进一步改善[10]。

径向磨损量法属于静态测试，具有成本低，操作安全等优点，但也有一定局限性。它无法在作战或训练时对身管跟踪实时监测，并且对射弹数较少时的微小磨损量无法准确测量。由于已经认识到身管寿命耗损是内膛烧蚀磨损的结果，从20世纪90年代以来，不同于径向磨损量判别法，专家学者开始对内膛烧蚀磨损机理以及烧蚀磨损引起内弹道性能退化规律进行研究，通过计算磨损量的角度预测身管寿命，提出很多身管内壁磨损量计算模型和方法。

Lawton和Laird应用的集总参数法计算出火药气体传递到身管内壁上的热量，进而估算身管内壁的磨损量。Heiser、Conroy以及陈龙淼等则通过研究，利用火炮射击时的壁温计算磨损量，各自提出了计算模型。南京理工大学高付申等，以边界层湍流、两相流为核心的基础上，得到了关于壁温预测的流动态数学模型，依此计算烧蚀量进行寿命评估[11-15]。

不同于利用壁温计算身管磨损量，Samuel等提出了身管寿命耗损的热化学烧蚀模型，该模型包括热化学模型、内弹道计算、边界层计算、身管烧蚀量计算和ABAQUS基础上的身管机械磨损分析；吴斌，夏伟等深入研究了身管内膛烧蚀机理认为内膛表面在高温火药气体作用下迅速熔化并立即被高速流动的火药气体吹除，据此，在半无限大物体和传热学第二类边界条件的假设基础上，得出了身管热烧蚀层厚度的计算模型[16-17]。

上述研究，采用经验公式计算身管磨损量的做法虽然简便易行但精度较差；采用熔化机制改进模型等方法实际操作比较复杂，计算精确度上也有待提高；而利用身管壁温与身管烧蚀之间的映射关系进行计算，相对简单，同时精度也比较高，目前已经被国内外学者普遍认同。

这一时期的另一重大成果是以大量的试验结果确定了射击条件的变化是导致身管膛线径向磨损量变化的主要原因。其中尤其以发射弹丸种类、发射药温度、发射装药量和火炮射击频率为主要影响因素，这就为下一步的射击标准化理论研究打下了基础。

4) 第四阶段(2007年至今)

2007年军械工程学院张喜发教授提出了火炮当量系数试验法，即对各种非标准射击条件，通过小规模实弹射击试验就能得出相对于标准射击条件下的当量系数值。在这一阶段，射击条件标准化成为身管寿命问题的重点研究方向。射击条件标准化实现了非标准射击条件下的射弹到标准射击条件射弹的转化，提高了试验数据的利用率，拓宽了寿命评估的方法。目前我国已积累了多种火炮的各项非标准条件下的当量系数值。

除去射击标准化的研究之外，目前国内对身管寿命的预测主要分为两个方向：一是前面所述基于烧蚀磨损机理的磨损量计算模型。近年来，南京理工大学的梁文凯等提出一种身管与弹丸的熔融磨损的计算方法；西北机电工程研究所李明涛等以内表面熔化层为理论基础，提出了一种寿命评估的新方法；陆军军官学院吴斌等将应变增量作为身管损伤情况的特征值，在身管外壁面应变实测数据和局部应变法的基础上,得到了外表面应变、身管的健康状况和射弹发数之间的关系。这些都对深入研究烧蚀机理和寿命预测具有重要意义[18-20]。

二是基于已有试验所得性能退化数据，用先进数学分析手段进行数学处理得到可靠经验数学模型。白城兵器试验中心的金文奇、冯三任等开展了 “身管寿命推断技术研究”，研究以火炮寿命试验数据为基础，以寿命特征量为研究对象，分析身管寿命退化规律，建立身管寿命退化统计分析模型，利用偏最小二乘回归方法和正交回归设计思想建立了寿命模型参数估计方法，从统计的观点研究寿命退化统计模型以及参数估计方法；陈国利等利用BP神经网络方法计算炮膛磨损量，并根据最大磨损量进行身管寿命预测。南京理工大学的孟翔飞等在灰色线性回归组合模型的基础上也提出一种新的预测模型；孔国杰，张培林等采用最小二乘和支持向量机的方法建立了单截面基础上的火炮特性模型。装甲兵工程学院任双瑛、徐达采用支持向量机方法，以多特征截面为基础研究得出了坦克炮剩余寿命模型。这些方法模型都进一步提升了寿命推断结论的可信性和准确性[21-24]。

由于膛线径向磨损量法仍是寿命预测中较为可靠准确的方法，而径向磨损量法的核心在于对膛线磨损量的精确测量。火炮内膛阳线径向磨损量的检测技术从早期机械接触式测量逐渐发展为以激光扫描技术为代表的非接触式测量。激光扫描技术兴起于2013年，突破了传统单点测量方法，能够快速获取物体表面海量三维坐标数据， 具有检测精确、无磨损等优点。目前激光扫描技术已具备出更高的测量精度，可以作为寿命预测准确性的可靠保证[25]。

2 基于新技术的新型火炮寿命预测

目前火炮种类很多，总体可分为3大类型：

1) 火炮已进行全寿命试验，有全面的试验总结报告。

2) 火炮只进行少量实弹射击，未进行到寿命终止状态，全部定型试验工作结束。这类火炮品种最多，数量最大。

3) 未进行实弹射击的火炮(正在研制中的火炮，或火炮论证方案)。

由于全寿命试验耗资较大，当前部队装备的许多新型火炮没有经过全寿命试验，或者进行全寿命试验但没有准确的寿命预测模型。部队在使用新型火炮时存在一定的使用风险和安全隐患。

针对这一问题，急需建立新型火炮的身管寿命预测模型，通过对上述寿命预测理论的总结分析，基于检测技术的发展，新型火炮的寿命预测模型的建立应从以下两方面考虑：

1) 选取径向磨损量作为寿命判别参量。径向磨损量法属于静态检测方法，操作方便，经济性好，适合在基层部队推广。随着电子和传感技术的飞速发展，可选用高精度的非接触式激光测量技术减小测量误差，提高寿命预测的准确度和可靠性。

2) 基于大量的性能退化数据，采用严密数理统计理论。新型火炮的性能退化数据可从工厂研究所试验、靶场试验、部队射击、科研项目测试4个方面广泛收集。分析性能退化数据的特点，选择合适的统计回归理论建立数学模型，提高寿命预测的可靠性。

3 结论

通过总结火炮身管寿命的定义，寿命终止标准，以及寿命评估预测理论的相关研究进展，在电子技术和寿命预测理论飞速发展的基础上，以当前部队火炮的寿命预测需求为牵引，提出了新型火炮的寿命评估预测方法，并阐述了新型火炮寿命模型建立的关键——高精度的径向磨损量测量和全面的性能退化数据收集。

[1] 谈乐斌,张相炎.火炮概论[M].北京:北京理工大学出版社,2005.

[2] 张喜发.火炮烧蚀内弹道学[M].北京:国防工业出版社,2001.

[3] 金志明.枪炮内弹道学[M].北京:北京理工大学出版社,2004.

[4] 徐东升,贾长治,刘广生,等.火炮身管寿命预测技术发展研究[J].价值工程,2013,32(5):316-318.

[5] 欧阳青,于存贵,张延成.国内外火炮身管烧蚀磨损问题研究进展[J].兵工自动化,2012,31(6):44-46.

[6] ROLAND A.Investigation of Chemically Vapor Deposited Tantalum for Medium Caliber Gun Barrel Protection[R].New Jers-ey Institute of Technology,U.S.,2008.

[7] 金文奇,冯三任,徐达.火炮身管寿命推断技术与工程实践[M].北京:国防工业出版社,2014.

[8] 田桂军.内膛烧蚀磨损及其对内弹道性能影响的研究[D].南京:南京理工大学,2003.

[9] 孟翔飞.武器身管寿命预测模型及内膛参数综合检测系统研究[D].南京:南京理工大学,2013.

[10] 蒋泽一,李强,薄玉成.火炮身管寿命研究[J].机械工程与自动化,2014(2):221-222.

[11] LAWTON B.The Influence of Additives on the Temperature,Heat Transfer,Wear,Fatigue Life,and Self Ignition Characteristics of a 155 mm Gun [J].Journal of Pressure Vessel Technology,2003,125(3):315-320.

[12] HEISER R,SEILER F.Computational Methods and Measurement of Heat Transfer to Gun Barrels with and without Coatings[C]//Proceedings of 14th International Symposium on Ballistics.Quebec,1993.

[13] CONROY P J,NUSCA M J,CHABALOWSKI C,et al.Initial Studies of Gun Tube Erosion Macroscopic Surface Kinetics[C]//37th Combustion Subcommittee Meeting JANNAF CS/APS/PSHS Joint Meeting Monterey,United States,2000.

[14] 陈龙淼,钱林方.复合材料身管烧蚀与寿命问题的研究[J].兵工学报,2005,26(6):807-811.

[15] 高付申,邱文坚.火炮身管寿命预测问题的研究[J].南京理工大学学报,1997(3):229-232.

[16] 吴斌,夏伟,汤勇,等.身管熔化烧蚀的预测数学模型[J].火炮发射与控制学报,2002(1):5-10.

[17] GALLIER S，BAE J P，DELLA PIETA P．Numerical Modeling of Chemical Erosion in Gun Tubes[C] 20th International Symposium on Ballistics.Orlando,FL,2002:298-305．

[18] 梁文凯,周克栋,李践飞.身管与弹丸的熔融磨损模型与研究[J].兵工自动化,2015(9):10-14.

[19] 李明涛,崔万善,姚哲,等.基于内表面熔化层理论的身管寿命预测方法[J].火炮发射与控制学报,2009(2):5-8.

[20] 吴斌,刘帮俊,郑靖,等.枪炮身管疲劳和磨损及其健康监测研究[J].失效分析与预防,2016,11(6):391-398.

[21] 陈国利,韩海波,于东鹏.BP神经网络的身管寿命预测方法[J].火力与指挥控制,2008,33(9):146-148.

[22] 任双瑛,徐达.基于支持向量机的火炮身管烧蚀磨损预测模型研究[C]//全国先进制造技术高层论坛暨制造业自动化与信息化技术研讨会,2010.

[23] 孟翔飞,王昌明,何博侠,等.基于灰色线性回归组合模型的火炮身管寿命预测[J].南京理工大学学报(自然科学版),2012,36(4):635-638.

[24] 孔国杰,张培林,钱林方,等.一种新的火炮剩余寿命评定方法[J].弹道学报,2010,22(3):21-25.

[25] 董秀军.三维激光扫描技术及其工程应用研究[D].成都:成都理工大学,2007.

[26] 萧辉,杨国来,孙全兆,等. 基于自适应神经网络的火炮身管结构优化研究[J].兵工学报，2017(10)：1873-1880.

[27] 周成,王建花,顾克秋,等. 火炮身管锥度对弹丸起始扰动的影响分析[J].火力与指挥控制，2016(06)：153-156.