火炮身管烧蚀及其防护研究进展

在火炮发射过程中,其身管内膛承受剧烈的烧蚀侵蚀和磨损导致其几何形状和尺寸发生改变,成为直接影响火炮身管射击精度及寿命的关键因素之一。针对该问题,综合论述了钢制火炮身管烧蚀及其防护研究进展,主要包括:火炮身管烧蚀行为、热-化学-机械烧蚀模型、身管内膛耐烧蚀材料、身管内膛耐烧蚀层制备技术、火炮身管结构设计和火药的选择与设计。     

火炮身管延寿技术研究现状与展望

火炮身管延寿难题长期制约着其综合性能的进一步提升和作战效能的持续发挥，延长身管使用寿命成为现代化及未来战场的迫切需求。通过概括影响火炮身管寿命的主要因素，从改进发射药、身管内膛表面处理、优化弹丸和膛线设计、炮钢材料改进、磁控等离子体抗烧蚀技术等方面阐述当前用于火炮身管延寿的主要技术措施，总结相关技术的国内外研究进展，并分析国内在上述技术领域存在的短板。从明晰火炮身管内膛壁面的烧蚀磨损规律，遴选可行延寿方法并多措并举开展科研攻关以及探索并发展磁控等离子体抗烧蚀新技术等方面展望我国在火炮身管延寿领域未来的发展方向。研究成果可为发展火炮身管常规延寿技术提供思路，并为探索新型延寿技术提供启发，进而可为延长身管使用寿命、提升火炮作战效能提供参考和借鉴。     

火炮身管延寿研究

火炮发射时，身管内膛承受的火药气体的烧蚀、冲刷和弹丸的冲击、摩擦，会导致内膛的烧蚀和磨损。内膛严重磨损主要集中在膛线起始部和炮口部。烧蚀磨损是造成火炮射击精度偏差的主要原因之一。改善内膛和弹带结构，正确执行勤务规定，合理选择火药种类、装药，降低身管温升是减少内膛烧蚀的重要措施。提出了运用等离子增强化学气相沉积法、电火花表面强化法和先进喷涂法处理火炮身管内膛的原理，并进行了理论分析。此项技术运用于处理火炮身管内膛为类似技术的移植。该技术既可作为身管制造中的预处理工艺，也可作为一种修理手段修复轻度磨损的身管。     

身管熔化烧蚀的预测数学模型

熔化烧蚀是火炮身管内膛烧蚀的机理之一。文中由身管寿命判别条件Δdmax建立了身管熔化烧蚀预测计算模型，从原理上对各种延缓烧蚀速度、提高身管寿命的措施，如采用内膛镀铬、使用冷火药和护膛剂等进行了阐述；同时基于该模型指出采用身管主动冷却技术是延长火炮身管寿命最有效的措施之一。     

国内外火炮身管烧蚀磨损问题研究进展

为提高火炮身管抗烧蚀性,延长火炮寿命,提高火炮的使用精度,对火炮身管烧蚀磨损问题进行深入研究。归纳总结国内外火炮身管延寿的各种措施,对目前计算火炮身管烧蚀磨损的分析计算方法(经验公式法、壁温估算烧蚀磨损法、热化学烧蚀模型法)进行对比分析。该研究可为相关人员在了解目前国内外对火炮身管延寿方面的研究情况提供参考。     

火炮身管内膛涂层制备及检验方法

炮膛烧蚀是长期存在的严重影响火炮身管寿命的问题，身管内膛涂覆耐烧蚀保护层是提高身管抗烧蚀能力，延长身管寿命的最新方法之一。重点研究了身管涂层材料的选取原则、制备技术和工艺，比较了各种制备技术的优缺点，并针对炮膛工况特点，确定了一种较为合理的身管内膛涂层制备工艺，设计出了两种检验身管涂层耐烧蚀性的试验装置。该研究也可为相关领域的研究或试验提供一定的参考借鉴作用。     

火炮身管内膛修复技术研究

为了延长炮管使用寿命,以金属表面摩擦自修复机理为基础,研制了一种炮管用磨损烧蚀修复材料,在100mm滑膛炮及130 mm线膛炮上进行了射击修复试验,对内膛修复效果及身管延寿效果进行了分析,证明以该种方式进行火炮身管延寿是可行的,为火炮身管延寿提供了一种新的技术途径.     

火炮身管质量评估方法探讨

火炮身管质量评估方法应具有科学性、适用性和可操作性的基本要求,目前使用的各种火炮身管质量状况评估方法均存在缺陷。火炮内膛定点径向磨损量法能够准确的表征火炮全寿命过程弹道诸元和寿命诸元,但在实际使用过程中存在测量误差大的问题。从火炮身管内膛定点径向磨损量法的原理入手,分析了引起火炮身管寿命终止的内膛参数的变化规律,结合火炮内膛测量方式的特点,用测量阳线坡膛段斜率的方式代替测量定点径向磨损量。通过对火炮内膛定点径向磨损量法加以改进后,提出了一种更加准确和便于应用的身管质量状况评估方法,即阳线坡膛段锥度法。该方法应用在部分火炮上效果良好。     

火炮身管失效机理与炮钢的发展

火炮身管材料不仅与武器寿命,也与精度、火力等战技指标密切相关。随着指标不断提升,身管服役工况愈加恶劣,而现用身管钢由于热强性低、抗烧蚀弱等问题,已难以满足火炮系统的要求。综述了项目团队在火炮失效机理突破、长寿命枪炮身管系列新材料与制备技术、实弹考核验证及应用等多方面的进展与成果,建立枪炮身管寿命关键参数(初速、精度与立靶密集度、横弹、弹带削光)与身管材料关键性能(室温低温高温强韧性、烧蚀性能、耐磨性能、疲劳性能)间的内在关系,以此为依据提出高热强性身管材料性能特征与提升思路,实现火炮身管新材料高温强度较现用材料均提高1.5～2倍以上,高温磨损率仅1/5～1/2,实弹寿命翻倍提升,且已在多个装备上应用,从材料方面为现用火炮及新一代高膛压、超远程火炮身管延寿和性能提升提供坚实技术支撑。     

关于坦克炮身管的剩余寿命评估

以评估坦克炮身管的剩余寿命及合理确定身管报废时机为研究目的，从火炮寿命的基本概念出发，分析了坦克炮身管寿命评定问题的特殊性，归纳出坦克炮身管剩余寿命评估的理论基础。在身管使用寿命期内，弹道特性及身管安全性的变化源自于身管内膛的烧蚀与磨损，所以身管寿命与身管内膛的形态变化有相关关系。建立了以基础性、替代性、及辅助性判据组合的身管寿命评定准则，提出了剩余寿命评估操作模式。     

连续射击下的枪管瞬态传热模型

针对连续射击过程中周期性瞬态热冲击引发的身管烧蚀问题,建立了身管一维瞬态传热的数学模型。采用能量平衡法,应用交替隐式差分格式(ADI),推导了内节点及边界点的有限差分方程,以经典内弹道数值计算结果为基础,通过VB编程求解了连续射击120发弹过程中某12.7 mm机枪枪管的温度场分布。采用红外热像仪对身管外壁温度进行了测试,数值仿真结果相对于实验结果的误差小于10%,所建模型及采用的算法是有效的。研究得到的枪管温度场的变化规律为更加深入地研究身管烧蚀机理、设计身管结构以及预测身管寿命提供了可靠的理论依据。     

身管烧蚀及缓蚀剂作用机理研究现状

身管烧蚀磨损严重限制了火炮性能的提高和服役年限的延长。为延长身管寿命、发展高威力火炮,需增强火炮身管的抗烧蚀磨损能力。从热冲击、化学侵蚀、机械磨损三方面综述国内外身管烧蚀机理的研究现状,分析认为烧蚀磨损的发生与加剧主要归结于热－化学－机械复合作用。在此基础上梳理缓蚀剂技术抑制身管烧蚀磨损的机理,指出纳米材料在缓蚀剂研制中的意义,无机氧化物和含氮有机材料在发射环境下可对身管内壁形成保护。对缓蚀剂的设计作出展望,为新型缓蚀剂设计提供有益思考。     

用内膛表面温度评估缓蚀添加剂的作用效果

提出一种利用火炮内膛表面温度评估缓蚀添加剂作用效果的研究方法。首先设计专用测温传感器,测量距身管内膛表面一定厚度处的温度变化,再通过身管内膛传热规律外推得到内表面温度。利用本方法,在14.5mm弹道枪上进行了一种新型缓蚀添加剂材料的筛选和配方试验研究,采用膛壁峰值温度评估缓蚀添加剂的作用效果。最终确定的新型缓蚀添加剂被用于采用高能、高爆温硝胺发射药的105mm穿甲弹中,降烧蚀效果良好。     

火炮身管烧蚀磨损的灰色预测模型

为了准确地获得火炮身管烧蚀磨损量变化情况,根据火炮在发射过程中的膛内特性,分析了火炮身管的烧蚀磨损规律,利用灰色系统理论,结合灰色Verhulst模型特性,提出了一种火炮身管的烧蚀磨损量的预测模型,并在传统的灰色Verhulst模型基础上进行了预测模型的优化。通过对某型火炮身管烧蚀磨损量的数据验证及对比,证明了优化灰色Verhulst模型的准确性,为火炮在实际应用过程中的身管烧蚀磨损的准确预测及火炮身管寿命的判决提供了一种可行的求解方法。     

身管内壁裂纹扩展特性及剩余寿命研究

火炮发射过程中身管内膛环境十分恶劣,经过一定射击发数后内膛往往出现不同程度裂纹,影响身管寿命及发射安全性。采用有限元软件建立了包含膛线及不同位置初始裂纹的身管有限元模型,基于线弹性断裂力学理论研究了膛压、弹带摩擦力、自紧残余应力等载荷作用下身管内壁不同位置初始裂纹的扩展特性,得到了影响身管疲劳裂纹扩展寿命的危险因素为身管内壁阴线纵向裂纹,基于疲劳裂纹扩展理论,以临界断裂韧度为失效判据,获得了无镀层身管在包含不同数量初始裂纹时的剩余寿命。研究对于火炮身管的发射安全性评估、寿命预测及寿命提升研究具有重要的参考价值。     

大口径机枪枪管寿命趋势分析

为研究某单管高射机枪枪管寿命趋势,进行了枪管综合寿命试验和数据采集,获得了一套完整的性能衰减数据.对采集的数据进行整理,结合历年来生产验收的试验数据,分析了初速下降率、散布精度、枪管烧蚀和膛口尺寸随射弹数的变化规律及产生的原因,获得了关于该大口径机枪枪管寿命变化趋势及其影响枪管寿命因素的新认识,为该大口径机枪的验收、使用与维护规范的修改及改型设计提供了试验依据.     

炮钢的K_（IC）与炮管的安全性

测出了两类炮钢的断裂韧性Ｋ_（ＩＣ）及其随温度变化的系统数据，并由三维有限元、位移法分析求解作为研究对象的某火炮身管高膛压区内表面裂纹前沿的应力强度因子Ｋ_Ｉ数值，以Ｋ_Ｉ＝Ｋ（ＩＣ）作为临界状态的判据，判定了身管射击使用安全性。结果表明，炮管射击安全性随炮钢Ｋ_（ＩＣ）的降低和使用温度的降低而降低。故在炮管设计中，除强度外，应对炮钢常、低温韧性提出定量要求。改善炮钢韧性是提高炮管使用安全性的重要途径之一