火炮系統(tǒng)高原環(huán)境適應性及防護措施分析

王保貴，王堅

(北京跟蹤與通信技術研究所，北京100094)

我國高原面積廣闊、地形復雜、多變的高原環(huán)境條件對高原地區(qū)使用的裝備和人員都會產生許多不良的影響，引起多種故障。為保證高原環(huán)境下裝備的使用性能，必須要充分考慮其對高原環(huán)境的適應性，并針對高原環(huán)境對其影響的特點，進行相應的防護處理。為此，文中以高原使用的火炮為例，對高原環(huán)境對其性能的影響進行了分析，總結提出了高原環(huán)境條件下的防護措施。

1 高原環(huán)境特點

高原氣候環(huán)境的典型特點表現(xiàn)為以下幾個方面［1—3］。

1)海拔高、氣壓低、空氣密度低、含氧量低。高原條件下，隨著海拔的增加，大氣壓力逐漸下降，空氣越稀薄，空氣中含氧量也隨之減少。通常海拔每升高1 km，大氣壓力則下降約9%，空氣密度下降約為10%～6%，含氧量下降約10%。在海拔5 km的地方，其空氣中的含氧量僅為海平面的53%。在20℃條件下，不同海拔高度大氣壓、空氣密度和含氧量的關系見表1。

表1 不同海拔高度大氣壓、空氣密度及含氧量Table 1 Atmospheric pressure，air density and oxygen contentat different altitude

2)平均氣溫低、晝夜溫差大、年低溫期長。大氣溫度是距離地面1.5 m高度處測得的空氣溫度。大氣對流層的最大特點是氣溫隨海拔的升高而降低。同緯度地區(qū)海拔每上升1 km，大氣溫度則下降6.5℃。氣溫變化主要取決于緯度和海拔高度，同緯度地區(qū)海拔越高氣溫越低，而最大氣溫日溫差的大小與緯度、云量、海陸分布、地勢、地表性質、海拔高度和季節(jié)等因素有關。高海拔地區(qū)，地勢復雜，氣候多變，晝夜溫差變化較大，與同緯度平原相比，高原上晝夜溫差增大一倍左右。同樣的，海拔越高，年低溫期也越長。海拔4 km以上的地區(qū)為常年固定冷區(qū)，年平均氣溫在-4℃以下，冷期大于5個月，晝夜溫差越大，日溫差可高達30℃，極端最低氣溫可達-27～-45℃。

3)日照幅射強、風沙大。地球上不同的氣候決定于太陽輻射，而太陽輻射強度決定于地理緯度。隨著海拔高度的增加，太陽光線通過大氣的厚度、空氣密度、水汽和懸浮物質都相應減少，太陽光透過度愈大，到達地面的輻射較強。隨著海拔的增加，太陽直接輻射強度增大，海拔高度增加1 km，太陽直接輻射強度約增加54 W/m2。

4)高原環(huán)境，風力大、風速高、風壓小、沙塵多。年大風期長，最高風速為20～28 m/s，年平均風速為3m/s。海拔每升高1 km，風壓則下降9%。由于植被少、土壤及大氣濕度小，因此沙塵量大。沙塵量按地區(qū)不同，是低海拔多塵空氣含塵密度的5倍以上。沙塵的大小和風速密切相關，隨著風速增大，刮起沙塵顆粒直徑也愈大。

2 高原典型環(huán)境效應［4—8］

高原環(huán)境對裝備的影響因素主要體現(xiàn)在:低氣壓缺氧、低溫、輻射、沙塵等。

低氣壓缺氧引起的環(huán)境效應主要體現(xiàn)在:功率下降，發(fā)動機啟動與燃燒不正常;氣密設備應力增大，造成密封外殼變形，焊接開裂，結構損壞，設備泄漏;空氣抗電強度降低，產生電弧，電暈放電等現(xiàn)象;空氣介電常數(shù)降低，電參數(shù)發(fā)生變化;低密度材料物理和化學性能發(fā)生改變;熱傳導降低，引起裝備過熱。

低溫環(huán)境效應主要體現(xiàn)在:熱脹冷縮引起機械接觸部件卡死、破裂脆裂;彈簧部件彈性性能下降;電子器件及機電部件性能改變;材料低溫硬化與脆化;潤滑劑粘度增加導致傳動失效;密封件硬化脆化老化引起泄漏等。

溫差變化引起的溫度沖擊效應主要體現(xiàn)在:機械零部件的變形或破裂，運動部件的卡緊或松弛;金屬材料腐蝕或非金屬材料老化;表面涂層開裂;密封艙泄漏;絕緣保護失效等。

太陽輻射效應主要體現(xiàn)在:活動部件受熱不均勻而卡死或松動;電子器件和機電部件性能發(fā)生變化;復合材料物理化學性質改變，強度和彈性發(fā)生變化;涂層材料起泡、剝落、分層;絕緣材料介電性能改變，絕緣性能下降;密封材料穩(wěn)定性下降，喪失密封性能。

沙塵效應主要體現(xiàn)在:沙塵進入裝備內部會使活動部件卡死，過濾裝置阻塞;使電接觸不良，電路劣化;表面磨蝕加劇，沙塵上帶的各類鹽分、有機物和有害氣體還能加速金屬腐蝕和材料變質;靜電荷增大，產生電噪聲;吸附水分，降低材料的絕緣性能;熱傳導下降，干擾光學裝置的光學特性。

3 高原環(huán)境對火炮系統(tǒng)的影響分析

3.1 火炮結構特點分析［9］

火炮是利用火藥在管形內膛燃燒形成燃氣壓力來發(fā)射彈丸的一種射擊武器。對于自行火炮而言，主要由火力與控制系統(tǒng)、推進系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)組成。其中火力與控制系統(tǒng)由火力系統(tǒng)、火控系統(tǒng)和輔助武器等組成;推進系統(tǒng)由動力裝置、傳動裝置、操縱裝置、行動裝置、車體等組成;輔助系統(tǒng)由電氣系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、夜視儀器、三防裝置、煙幕裝置、液壓系統(tǒng)等組成。

從火炮結構組成可以看出，火炮是一種特殊的機電裝備，大量采用機械、電子、液壓、氣動等部件，采用了多種金屬、非金屬材料。從受高原環(huán)境影響不同的角度，可以將火炮部件歸納為:動力部分、機械配合及傳動件、電子器件、液壓部件、密封件、彈簧等幾類。

3.2 高原環(huán)境對火炮動力部分的影響［2—3，10—18］

動力部分為自行火炮提供機動的動力。高原惡劣環(huán)境會對其產生很大的影響，具體表現(xiàn)為以下幾個方面。

1)低壓缺氧的環(huán)境，使發(fā)動機氣缸所充空氣密度降低，燃燒不充分，燃油消耗量大，排氣黑煙嚴重，廢氣有害物排放量大大增加。

2)功率下降，海拔在2 km以上時，每升高300 m，功率下降4%，發(fā)動機動力不足。

3)空氣密度低，發(fā)動機冷卻風扇流量少，散熱效果下降，多余熱量不能及時散發(fā)，發(fā)動機、傳動系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)容易過熱。

4)海拔越高，氣壓越低，水的沸點下降。通常海拔在4 km時，水的沸點為85℃左右，而冷卻系統(tǒng)防凍液正常工作溫度應在90℃左右，冷卻系統(tǒng)不能正常工作。

5)高原氣溫低，空氣溫度達不到發(fā)動機氣缸所需啟動溫度，且氣缸內壓縮空氣壓力明顯低于正常啟動時所要求的壓力，使得發(fā)動機啟動困難。

6)氣溫低，蓄電池工作能力下降。通常氣溫每降1℃，蓄電池容量下降1%～1.5%，蓄電池總電量不足，啟動時電能不足。

7)高原空氣稀薄，發(fā)動機增壓后空氣量和增壓壓力相應發(fā)生變化，導致增壓器壓氣輪出現(xiàn)喘振、廢氣渦輪出現(xiàn)阻塞，發(fā)動機排氣溫度過高等問題。

8)液壓系統(tǒng)與發(fā)動機匹配發(fā)生變化，各液壓閥、液壓缸等執(zhí)行元件的動作時間隨海拔高度增加而動作遲緩，液力傳動受發(fā)動機外特性影響較大，機械功率轉變成熱量，散熱差，作業(yè)油溫高，嚴重影響動力的有效傳動。

3.3 高原環(huán)境對火炮機械配合及傳動件的影響

火炮武器系統(tǒng)中存在大量的機械配合及傳動接觸部件，如炮身在搖架內的后坐復進直線運動，高低機和方向機起落、回轉時的旋轉運動，瞄準裝置的瞄準過程，炮閂的擊發(fā)過程等，其傳動形式主要有摩擦滑動、齒輪傳動、渦輪蝸桿的螺旋傳動等。高原惡劣的環(huán)境條件會對接觸部件產生很大的影響，表現(xiàn)為:因溫差變化大，各類接觸部件金屬熱膨脹或收縮不均勻，引起結構件變形，接觸間隙改變，使得接觸受力和接觸部位產生改變，帶來了運動摩擦增大，部件局部受力不均勻，造成接觸部位發(fā)生過度磨損甚至損壞等現(xiàn)象;同時高原地區(qū)風沙大，特別是在干燥環(huán)境下微小塵埃含量加大，造成接觸部件大量帶入沙塵，運動摩擦增大，同樣會造成接觸部位發(fā)生過度磨損甚至損壞的現(xiàn)象。在以上的影響下，火炮瞄準精度下降，傳動部件受力狀況進一步惡劣，造成部件受力增大，傳動部件損壞，火炮結構部件接觸部位磨損加大。

3.4 高原環(huán)境對火炮電子器件的影響

火炮上大量使用了各類電子器件，既有電源設備，也有各類數(shù)字信息、通信設備，高原環(huán)境會對其產生一定影響。高原環(huán)境下，蓄電池低溫使用性能降低，電源線路效率降低。高原空氣密度低，空氣干燥，電氣設備絕緣強度降低。同時高原日照強烈，紫外線強度大，會促使絕緣材料老化加快，特別是有機絕緣材料，會加速油漆涂層的老化和龜裂?？諝饷芏刃。娮悠骷砻嫔嵝阅芟陆?，導致器件的性能下降或運行不穩(wěn)定等現(xiàn)象。

3.5 高原環(huán)境對火炮液壓、密封部件的影響［3，19］

火炮系統(tǒng)上大量采用了液壓部件和密封件，火炮上最重要的部件之一是反后坐裝置，通常都采用液壓式結構，包括制退機和復進機等?；鹋诘钠渌考泊罅坎捎昧艘簤航Y構，如用于傳動的液壓式高低機、用于改善起落部分受力不均的平衡機等，各種武器還大量使用了液壓千斤頂來承擔火炮發(fā)射時的受力。同時由于大量液壓部件的使用，必然對密封結構提出了更高的要求，大部分密封器件采用了非金屬材料，如橡膠、尼龍、塑料等。

受高原低氣壓的影響，液壓油箱內壓力不足，液壓油粘度大，液壓油泵的吸油性能變差。液壓缸、液壓馬達等執(zhí)行元件磨損量增大，密封件磨損老化嚴重，液壓泄漏量增大。沙?；驂m埃進入液壓系統(tǒng)，又會加速各元件的磨損或堵塞，導致液壓系統(tǒng)出現(xiàn)功能障礙，從而影響反后坐裝置、平衡機、液壓千斤頂?shù)仍O備的使用可靠性。

高原低氣壓同樣會使得密封部件承受向外膨脹的壓力，使得外殼變形，密封件破裂造成密封器件失效。低溫及溫度變化又會造成材料脆性、塑性等特性變化，增加了密封部件低溫低壓下產生變形或開裂的危險。同時由于高原高紫外線的輻射，常用的橡膠、尼龍、塑料基底制作的密封器件都會出現(xiàn)老化硬化、失去彈性等現(xiàn)象，引起密封部件失效、泄漏和損壞等，從而影響反后坐裝置、平衡機和千斤頂?shù)炔考墓ぷ餍阅堋?/p>

3.6 高原環(huán)境對火炮彈簧類器件的影響

火炮大量使用了各類彈簧元器件，從重要的擊發(fā)機構、保險機構到平衡機、懸掛彈簧到搭扣、卡鎖、鉸鏈、開關、手柄、杠桿、防轉墊圈等器件。高原環(huán)境會對此類部件造成影響。主要體現(xiàn)為:低溫冷脆效應，使得彈簧器件在低溫條件下出現(xiàn)彈性性能降低，剛度下降、行程縮短等現(xiàn)象，造成工作不可靠;彈簧導向筒、導向桿等彈簧導向、定位零部件在低溫情況下膨脹收縮變形、潤滑不佳以及受沙塵侵入影響，會造成彈簧部件失效現(xiàn)象頻發(fā);溫度的交替變化，使得彈簧材料產生時效退化效應，導致彈簧性能降低，緊固件松脫，卡鎖失靈等。以上因素會導致?lián)舭l(fā)機構失靈、反后坐裝置作用不可靠、自動機異常、各類關卡機構異常和彈簧墊圈等防松零部件失效等現(xiàn)象的發(fā)生。

4 火炮系統(tǒng)高原環(huán)境下防護措施［20］

為避免高原環(huán)境對火炮系統(tǒng)的影響，火炮系統(tǒng)需要采取針對性的防護措施。

動力部分需配備大容量蓄電池，并采取防寒措施，對發(fā)動機進行渦輪增壓，提高發(fā)動機功率。增加散熱器散熱面積，改善散熱條件，降低熱負荷。采用大流量、低阻力、濾清效率高的空氣濾清器。選用耐低溫的潤滑油、防凍液和機油。

機械配合及傳動件應選用有良好沖擊韌性的耐低溫結構件，活動件之間留出足夠的膨脹間隙。選用耐低溫的電子元器件，空氣絕緣部分采用絕緣膠層，避免尖端結構與殘留毛刺，防止尖端放電發(fā)生。彈簧元器件選擇適應高原低溫及溫差變化環(huán)境的器件。

對于液壓、密封部件，增大液壓系統(tǒng)散熱面積，必要時采取強制冷卻措施。液壓泵采取相應措施，消除低氣壓引起的液壓泵容積效率下降的問題。液壓油箱應采用防止沙塵和水進入的措施。合理選用密封件和橡膠件，提高密封性能。液壓油管應選用抗紫外線和耐寒性能強的材料，選擇耐老化、抗紫外線、耐低溫的密封件。

5 結語

從高原環(huán)境特點和環(huán)境效應入手，分析了高原環(huán)境對火炮系統(tǒng)的影響因素和影響程度，提出高原環(huán)境下火炮系統(tǒng)的一些防護措施，為提高火炮系統(tǒng)高原環(huán)境適應性進行了一些有益的探討。分析結果對提高高原環(huán)境下試驗和使用的火炮系統(tǒng)整體性能和環(huán)境適應性能具有參考價值。

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