高溫高壓高膛壓炮身管壽命下降的分析

熱是影響蝕磨損機理的因素槍管的使用壽命直接影響火炮的作戰(zhàn)性能和整體性能的有效運行。據(jù)其燒蝕磨損機理研究表明，在造成內(nèi)膛破壞的眾多因素中，熱是主導(dǎo)因素之一。身管發(fā)熱還會引起其它不良現(xiàn)象，影響著火炮的作戰(zhàn)性能。因此身管發(fā)熱問題早就引起人們重視，并成為火炮發(fā)展和研究的重要方向。1高發(fā)射速度的原因(1）發(fā)射藥自燃及膛炸。裝炮彈進入炮膛后，在進行瞄準并等待發(fā)射的一段時間里，發(fā)射藥吸收著高溫管壁放出的熱量，會很快達到發(fā)射藥（或可燃藥筒）的自燃點。通常，由于灼熱的火炮藥室（或輕武器身管）引發(fā)了引信、發(fā)射藥（或是炸藥裝藥），可能造成偶然的或自發(fā)的發(fā)射或爆炸。膛溫過高仍繼續(xù)發(fā)射，可能發(fā)生膛炸現(xiàn)象。(2）發(fā)射速度受到限制。灼熱炮身引起身管材料性能下降和裝藥等問題，嚴重影響火炮的安全使用。為確保安全，在進行一定數(shù)量炮彈的連續(xù)發(fā)射時，要求發(fā)射速度不得超過規(guī)定的極限發(fā)射速度。(3）身管材料的機械性能下降。炮鋼材料的溫度變化實驗表明，炮鋼的強度是隨溫度上升而下降。在一些射擊實驗中，曾出現(xiàn)身管的脹膛現(xiàn)象，脹膛位置多在溫升最高部位。這說明炮管脹膛度往往與其材料受高溫后機械性能下降有關(guān)。(4）身管的熱應(yīng)力。火炮射擊時火藥燃燒生成的熱量中，相當大的部分是被身管吸收。該熱量是逐步輸入膛壁的，身管壁存在著較大的溫度梯度，從而產(chǎn)生了熱應(yīng)力。俄羅斯學(xué)者的研究表明，該熱應(yīng)力會相當大。熱沖擊在發(fā)射過程中會導(dǎo)致動態(tài)壓應(yīng)力，發(fā)射后內(nèi)膛冷卻過程中則產(chǎn)生動態(tài)拉應(yīng)力，這種應(yīng)力循環(huán)是造成身管產(chǎn)生裂紋的直接誘因。(5）射擊精度降低。身管發(fā)熱對射擊精度的影響也是很大的，主要原因有兩方面：1）內(nèi)膛熱脹和磨損都會造成內(nèi)膛直徑擴大，彈帶和膛壁就不能密閉火藥燃氣，引起膛壓下降，從而初速下降、射擊精度降低；這種情形往往隨每發(fā)射擊而變化；2）身管的熱彎曲，使精度下降；這種熱彎曲造成的精度下降，很難在射擊時得到實時檢測。前一種情況可通過初速修正來彌補彈道損失，但后一種情況卻是難以在射擊中進行實時補償。(6）身管燒蝕磨損。燒蝕現(xiàn)象是由眾多因素綜合作用或交互作用引起的，包括熱作用、熱-機械作用、熱-化學(xué)作用，其中熱作用是根本的。劇烈的熱作用使炮膛表面極薄的一層金屬熔化，這層材料可能被火藥氣流和彈帶帶走。在高溫下，火藥氣體中的某些組分同炮膛表面的金屬會化合成質(zhì)脆的氮化物，其在彈帶和火藥氣體作用下很容易產(chǎn)生裂紋并造成剝落，從而使彈帶與膛壁無法密封火藥燃氣，造成火藥燃氣泄漏，內(nèi)膛壓力降低，導(dǎo)致初速、射程和精度隨著磨損的加劇逐漸降低。2身管燒蝕技術(shù)在現(xiàn)有的發(fā)射藥、身管材料、制造工藝條件下，如何有效控制火炮身管的熱影響仍是研究重點。很多控制方法在現(xiàn)有武器上已獲成功應(yīng)用。(1）鍍耐燒蝕金屬。炮膛內(nèi)表面涂覆一層高溶點、高硬度、高韌性的金屬或其他物質(zhì)是提高身管壽命的重要措施。目前較有前途的鍍料是鉻、鉭、鈮，其中鍍鉻工藝已普遍應(yīng)用；鉻金屬不僅能抵抗火藥燃氣的化學(xué)作用，而且因其相對的高熔點而具有相當?shù)臒嶙杩埂５牵捎诂F(xiàn)代彈藥效能不斷提高，火炮發(fā)射時的高溫高速氣體對炮管內(nèi)膛造成的燒蝕更嚴重，至使鍍鉻層不能承受高效能彈藥所施加的應(yīng)力，在鍍鉻層剝落的地方出現(xiàn)更嚴重的燒蝕。鑒于此，德國萊茵金屬公司研究的用爆炸汽化沉積工藝制備炮管抗燒蝕涂層的方法和設(shè)備，易使高熔點金屬涂覆到炮管內(nèi)膛表面，并有很高的涂層結(jié)合強度；其基本過程是：先將導(dǎo)電涂層材料制備的金屬絲在炮管內(nèi)定位（一般與炮管同軸向，即沿炮管內(nèi)表面定位），然后使金屬絲通過足夠強的脈沖電流，造成爆炸汽化，汽化的材料微粒撞擊炮管內(nèi)表面，形成涂層。(2）添加緩蝕劑。在裝藥的適當位置，加入某些緩蝕劑有機化合物或無機化合物或是其一定比例的混合物）降低膛內(nèi)燒蝕，該技術(shù)已得到較廣應(yīng)用。據(jù)資料，添加緩蝕劑的作用主要是在膛內(nèi)起到吸熱、融熱作用。緩蝕劑的裝填量、裝填結(jié)構(gòu)、裝填方式對身管的燒蝕壽命都有直接的影響。文獻中，將氣膜冷卻技術(shù)應(yīng)用于火炮射擊中，把緩蝕劑與可燃藥筒做成一個整體，實質(zhì)就是將外加緩蝕劑改為內(nèi)加緩蝕劑。(3）使用襯管。內(nèi)膛燒蝕最嚴重的是膛線起始部位或滑膛炮的彈丸定位部向前一段部位（長度大約為10倍口徑的范圍內(nèi)）。對此部位，結(jié)構(gòu)上可用耐燒蝕材料制成襯管，這種可更換的或不可更換的襯管結(jié)構(gòu)是延長身管壽命的有效措施之一。目前在小口徑火炮和輕武器中已有采用，對于大口徑火炮還處于研究階段。目前采用陶瓷作為襯管材料是國內(nèi)外研究的課題，采用新型材料緩解身管燒蝕磨損問題將是重要的技術(shù)措施。(4）冷卻技術(shù)。由于自然冷卻的效率非常低，很難達到要求，身管設(shè)計中必須采取有效措施加快散熱，達到冷卻身管的目的。1）增加身管散熱面。主要方式是在身管外面增加散熱片，一方面既能吸收熱量，又傳熱給空氣。文獻提出的身管外表面和星型截面思想,就是增加身管的散熱面，加快熱量的散失。2）強制冷卻。由于改變身管外形、增大散熱面、加裝散熱片的自然散熱效率仍然不能滿足要求，采取強制冷卻才成為最為主要的措施。目前，強制冷卻措施包括直接向膛內(nèi)吹氣、注水、身管外設(shè)置水冷裝置等。法國緊湊型100mm航炮的身管冷卻方法，除通常的外循環(huán)冷卻外，還有一套膛內(nèi)噴水、吹氣裝置，每當發(fā)射一發(fā)彈后，都向膛內(nèi)吹入高速高壓空氣，消除火藥燃氣殘渣，同時向膛內(nèi)噴入霧化冷卻水，使身管的內(nèi)膛受到冷卻。實踐證明，此法對中小口徑身管壽命可延長2～3倍。3）邊界層冷卻。這是在炮膛表面和高溫火藥氣體之間隔熱的一種方法。目前研究的方法有兩種：一屬于彈藥方面；二屬于身管設(shè)計方面。第一種方法稱涂敷技術(shù)，在炮膛表面涂上一層保護層。這種原理的最新應(yīng)用是：在彈丸底部凹糟里裝上盛有硅油的一個小型塑料容器。當彈丸發(fā)射時，一個柱塞滑進凹糟擠壓塑料容器，迫使硅油噴灑在炮膛表面上，噴灑在炮膛表面上的硅油被下一發(fā)炮彈帶走。實驗表明,0.08ml的80000厘沲的硅油可使20mm火炮輸入身管的熱量減少60%。第二種方法是發(fā)汗冷卻，采用燒結(jié)金屬制成的多孔襯管，在壓力作用下將液體送到炮膛表面形成一層保護涂層。但它存在實現(xiàn)問題：噴灑系統(tǒng)要能在高瞬變火藥氣體壓力存在時，保持液體均勻地流入炮膛表面，并且各發(fā)彈丸之間供給的液體都不能過量；發(fā)汗冷卻雖原理上似有價值，但實際上襯管燒結(jié)材料的強度不夠，難于承受發(fā)射時沖擊載荷的急劇作用。3內(nèi)治療熱作用的效果火炮在射擊過程中，火藥燃氣及