火炮身管寿命评估方法及其标准研究

冯一帆，李 博，张晓晖，孙 丽，焦 红，田志辉

(中国兵器工业标准化研究所，北京 100089)

自从火炮作为兵器出现以来，各国不断致力于提升火炮性能(高温、高初速、高膛压)以满足战争需要，但同样对火炮身管寿命提出了更高的要求。目前西方第三代坦克的滑膛炮可以达到1 500发左右的寿命，这个数字是现阶段高压滑膛炮的极限水平。图1所示为高压滑膛炮身管实物图。

图1 高压滑膛炮身管

提升身管寿命、降低身管烧蚀磨损的技术措施主要有采用低爆温发射药、发射药内添加缓蚀剂、改善弹带或炮膛结构、采用短衬管及内膛镀铬等[1-2]。图2所示为莱茵金属Rh-120坦克炮的镀铬内膛，可以看出镀铬后的内膛非常光滑。这些措施虽然使火炮身管寿命得到一定程度的提高，但在寿命评估方面，现有国军标、行业标准等相关标准依旧以发射弹丸及身管本身的常规指标(如弹丸初速、飞行稳定性、内膛烧蚀磨损)来判定身管剩余寿命[3-4]，无法精准定量地评估身管寿命。

图2 莱茵金属Rh-120坦克炮的镀铬内膛

当前部队装备的许多新型火炮没有经过全寿命试验，由于没有准确的寿命评估方法，导致部队在使用新型火炮时存在一定的使用风险和安全隐患。本文在目前身管寿命研究的基础上，重点分析身管寿命评估方法及相关标准，并对身管寿命评估研究提出标准化方面的建议。

1 火炮身管寿命基本概念

身管寿命一般是指在火炮弹道性能降低到指标规定的允许值或因疲劳损坏丧失战斗使用性能前身管所能发射的当量全装药射弹数[5]，前者称为身管的弹道寿命，后者称为身管的疲劳寿命。身管寿命受其弹道寿命和疲劳寿命制约，其中较短者就是身管的寿命[6]。

值得注意的是关于身管的疲劳寿命概念，它是身管在发射条件下，膛壁产生疲劳裂纹随射弹发射增加而发展，最终导致身管断裂破坏的这一过程身管所累计的射弹发数。疲劳破坏涉及火炮发射的安全性，在火炮设计时，通常都需要保证疲劳寿命大于弹道寿命，这对于保证身管在使用寿命期内发射安全性至关重要。

2 身管寿命损耗及寿命提升

2.1 身管寿命损耗

在发射过程中，身管膛内发生复杂的物理化学变化：一是高温火药燃气对内膛表面的快速加热和烧蚀；二是因弹带与内膛表面间高速摩擦以及高速燃气流的吹蚀作用引起的膛表金属磨损；三是发射药对身管内膛的化学腐蚀作用；四是动态冲击载荷作用造成的身管疲劳损伤，尤其是在疲劳作用下裂纹沿径向扩展可能导致身管因剩余强度不足而发生灾难性的断裂事故，即发生膛炸(见图3)，其后果往往是炮毁人亡。

图3 坦克火炮身管炸膛

2.2 身管寿命提升

面对不同发射条件以及不同类型弹药，身管寿命将受到力—热—化学多因素耦合作用的影响。对于提升身管寿命降低发射过程中的烧蚀磨损，国外主要从改进身管使用性能等方面提升身管寿命。

美国陆军实验室利用陶瓷的耐磨性和抗高温性优点，用α-碳纤维陶瓷制备陶瓷基复合材料身管内衬，该身管可经受1 000次滑膛炮的单发射击，并在射击中可有效消除火药气体造成的应力和结构损伤。美国贝尼特武器实验室利用磁控溅射镀膜技术取代传统身管镀铬工艺，从而改进身管使用性能，该技术已用在法国Casius火炮120 mm及155 mm口径身管上[7-8]。

除此以外，还有从改进发射药、改进身管结构等方面去提升身管寿命，表1总结并对比了这3类提升寿命方法的特点。

表1 提升身管寿命的方法

通过对身管采用热处理、镀层、复合身管材料等手段，能够有效地提高身管抗烧蚀性能，延长身管寿命。并且改进身管性能这一措施相比于改变发射药、改进弹体结构等措施，其工程实用性更好，也更容易推广使用，并且不受弹药种类、弹体结构的限制。

3 身管寿命评估方法及标准

3.1 身管弹道寿命评估

随着各国对身管武器寿命的重视，研究人员对身管寿命评估做了大量研究。开展身管寿命评估的目的是：1)考核研制或申请定型火炮身管寿命是否达到指标要求；2)认定服役火炮身管寿命终止条件和更换备管时机；3)用于推动身管寿命技术研究。

身管的弹道寿命主要取决于身管的抗烧蚀磨损能力，目前弹道性能寿命的评估方法主要有膛线磨损量法、药室增长量法、累计射弹发数法、初速下降量法等[9]。各方法的技术特点与不足之处见表2。

表2 身管寿命主要评估方法

3.2 身管疲劳寿命评估

对于身管疲劳寿命评定，国内外身管疲劳寿命的确定方法有3种。

1)实弹射击试验。能真实准确地确定身管疲劳寿命，但人力物资消耗巨大，试验周期长且不安全，不再采用。

2)液压疲劳模拟实验。适应性强，费用低，结果可靠，操作安全，被英、美、德等多国采用。疲劳试验能够预测身管疲劳寿命，但是裂纹的深度难以准确测量，需要搭配射线探伤、磁粉探伤和超声探伤等无损检测法来测量裂纹深度。

3)利用断裂力学理论估算身管疲劳寿命，也是目前国内外学者广泛研究的方向。

3.3 身管寿命评估相关标准

目前国家军用标准、行业标准中现行的身管寿命评估标准见表3。通过表3可以看出，大部分标准需要通过实弹试射试验，测定初速下降量、立靶密集度等指标，同时通过设备仪器表征内膛磨损程度、身管直度径规等性能。

表3 现行身管寿命评估标准及主要技术内容

表3中，GJB 2975—1997《火炮寿命试验方法》需要进行大量试验，如磨损射击(战斗射速射击)试验、身管测量检查、内弹道性能检查、立靶密集度试验、地面密集度试验、导带性能试验等，并综合数据分析来判定寿命是否符合要求。根据该标准的相关规定，出现如下条件之一即认为身管弹道寿命终止：1)身管初速下降超过5%～10%(根据火炮具体要求确定)；2)立靶上出现横弹数量超过50%；3)射击时弹丸导带全部削光，无膛线印痕；4)射击试验中，某一特征量超过战术技术指标中规定的寿命标准。

GJB 2975—1997《火炮寿命试验方法》发布年代虽比较久远，但现行寿命评估标准大多是在其基础上增加了其他寿命判定指标。例如，在2015年发布的GJB 8702—2015《高炮身管寿命评定准则》，细化了不同口径高炮身管的寿命评估标准，并且涉及到的寿命判定指标也较为全面。而GJB 5703—2006《火炮身管剩余寿命通用判别方法》通过测定身管初速下降量、膛压下降量，分析烧蚀磨损特征量，实现对身管剩余寿命的定量化评估，评估方法较为先进。但该方法较为繁琐，需要建立火炮特性模型。

4 未来研究方向

通过分析相关文献[10-13]可知，一些高校和科研院所基于烧蚀磨损机理以及试验所得性能退化数据，在磨损量评估和身管寿命预测方面开展研究，通过提出磨损特征值的计算方法并建立寿命预测模型，提升了寿命推断结论的可信性和准确性，这对于深入研究烧蚀机理和寿命预测都具有十分重要的意义。

但这些方法多为理论模型，未在实际使用过程中进行充分验证，并且单一理论模型无法通用化地用于评估各类火炮身管寿命。结合实际工作情况与标准化情况，为更加精准定量化地评估身管寿命，同时能够促进提高部队的管理水平，指导部队对火炮的使用，下一步发展方向应是配合身管延寿技术同期研制身管寿命定量评估标准，建立完善身管寿命技术标准体系，重点分析确定不同发射条件对应的力—热—化学耦合作用下能够真实反映火炮身管寿命的关键性能指标，形成适合我国火炮身管寿命的评估指标体系。

5 结语

目前，我国各型火炮在性能方面已经走在了世界前列，并且随着对火炮身管寿命的不断研究，我国火炮身管寿命也取得了巨大的提升。本文针对目前主要的身管寿命评估方法，对比分析了各类方法的特点和不足，梳理总结了目前主要身管寿命评估标准，提出了开展寿命评估指标体系、加强寿命定量评估标准研制、建立完善寿命标准体系的建议。