某轉(zhuǎn)管炮藥筒破裂故障原因分析

張海洋

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015)

轉(zhuǎn)管武器主要利用其高射速、高密集度、高可靠性參與現(xiàn)代空戰(zhàn)及近程防空反導(dǎo)。轉(zhuǎn)管炮的射擊動(dòng)作是在一種極惡劣的高溫、高壓、高強(qiáng)度條件下完成的，因轉(zhuǎn)管炮的射速極高，當(dāng)在擊發(fā)過(guò)程中遇到“瞎火”彈時(shí)，靠自動(dòng)機(jī)慣性會(huì)自動(dòng)拋出，保證射擊的繼續(xù)進(jìn)行[1]。

某轉(zhuǎn)管炮射擊時(shí)，發(fā)生意外停射、藥筒破裂試驗(yàn)故障，初步判斷是炮彈遲發(fā)火引起，即擊發(fā)后底火推遲發(fā)火，而身管組繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，在抽筒階段底火發(fā)火點(diǎn)燃發(fā)射藥，藥筒在沒(méi)有可靠約束的情況下發(fā)生炸裂，造成射擊動(dòng)作的不協(xié)調(diào)引起試驗(yàn)中斷。針對(duì)上述故障現(xiàn)象，依次從火炮及炮彈兩個(gè)方面尋找故障原因。在火炮方面，理論上分析了自動(dòng)機(jī)循環(huán)圖，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上分析了可能戳破藥筒的供彈零部件，射擊線路上測(cè)試了射擊回路電壓的穩(wěn)定性等；在炮彈方面，依次對(duì)發(fā)火藥受潮、藥筒緊口力不足、底火電阻大及傳火序列不同等進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證，尋找引起火炮射擊故障遲發(fā)火的癥結(jié)[2]。

1 轉(zhuǎn)管炮原理介紹

轉(zhuǎn)管炮的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示[2]，是將多根身管(一般為3～11根)在圓周方向均勻排列，并固定在同一炮尾上，每根身管配有一套炮閂組件，炮閂組件位于星形體的縱向?qū)Р蹆?nèi)，身管組共用一個(gè)解鎖器和閉鎖器。工作時(shí)，身管和星形體由外部或自身能源驅(qū)動(dòng)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，每個(gè)炮閂支架上方有滾輪與螺旋曲線槽相配合，炮閂組件隨著星形體旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，支架滾輪就在曲線槽的作用下帶動(dòng)炮閂組件在星形體的縱向?qū)Р蹆?nèi)作前后往復(fù)運(yùn)動(dòng)，依次完成輸彈、閉鎖、擊發(fā)、開(kāi)鎖、抽筒、拋筒等自動(dòng)機(jī)的射擊循環(huán)動(dòng)作。

2 底火發(fā)火機(jī)理簡(jiǎn)介

底火按發(fā)火原理的不同通常分為機(jī)械底火和電底火兩種類(lèi)型[3]，底火的基本結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

機(jī)械底火發(fā)火機(jī)理為：底火受火炮擊針撞擊底火體，使底火體發(fā)生塑性變形并產(chǎn)生一定的撞擊能量，該能量使底火中的引燃藥燃燒，引燃藥燃燒可點(diǎn)燃底火中的點(diǎn)火藥(即底火發(fā)火)，點(diǎn)火藥燃燒產(chǎn)生的高溫高壓燃?xì)馔ㄟ^(guò)傳火通道(傳火孔)引燃下一級(jí)傳火裝置即發(fā)射藥，發(fā)射藥(一般為黑火藥)燃燒會(huì)產(chǎn)生大量的高溫、高壓火藥燃?xì)猓诨鹋陂]鎖的狀態(tài)下將彈丸從藥筒中強(qiáng)制發(fā)射出去。

電底火發(fā)火機(jī)理為：在火炮射擊擊發(fā)動(dòng)作時(shí)，擊針與電底火體接觸，電擊發(fā)電路形成閉合回路，在擊發(fā)電流的作用下，回路中的橋絲電阻發(fā)熱，將附著在橋絲電阻上的引燃藥引燃，引燃藥燃燒點(diǎn)燃底火中的點(diǎn)火藥(即底火發(fā)火)，后續(xù)的傳火序列與機(jī)械底火基本相同。

無(wú)論機(jī)械底火還是電底火，若點(diǎn)火藥受潮或點(diǎn)火能量不足，未能及時(shí)點(diǎn)燃下一級(jí)傳火裝置，即有可能出現(xiàn)遲發(fā)火。

3 故障現(xiàn)象

某轉(zhuǎn)管炮在進(jìn)行射擊試驗(yàn)時(shí)發(fā)生意外停射故障，檢查供彈線路上炮彈依次排列，未見(jiàn)異常，在火炮前方檢查，發(fā)現(xiàn)有一個(gè)破損的藥筒，進(jìn)一步觀察，前排殼器排殼槽內(nèi)散落著一些未燃燒的發(fā)射藥藥粒，故障中破損的藥筒如圖3所示。

經(jīng)炮上操作，自動(dòng)機(jī)手搖不能轉(zhuǎn)動(dòng)，人工解脫供彈與自動(dòng)機(jī)的連接后，手搖供彈裝置正常，進(jìn)彈和退彈方向均無(wú)卡滯現(xiàn)象，但自動(dòng)機(jī)仍不能轉(zhuǎn)動(dòng)。

分解自動(dòng)機(jī)進(jìn)行故障排除，從自動(dòng)機(jī)內(nèi)取出2發(fā)炮彈和3個(gè)藥筒，炮彈分別對(duì)應(yīng)2#膛與6#膛位置，3個(gè)藥筒分別對(duì)應(yīng)3#、4#、5#膛。1#膛炮閂抓勾上有一發(fā)煙熏嚴(yán)重發(fā)黃的炮彈，未完全進(jìn)膛。取出1#膛炮閂和待進(jìn)膛彈后看到彈丸頭部的銅帶已完全擠進(jìn)藥筒內(nèi)，藥筒彎曲變形。此時(shí)從炮尾后方觀察到1#膛內(nèi)還留有殘余藥筒碎片和1個(gè)炮彈。1#膛變形炮彈及膛內(nèi)殘留碎片如圖4所示。

觀察破裂藥筒情況，破裂藥筒側(cè)壁上有一些明顯凸起、凹陷、裂紋等痕跡。將這些痕跡與自動(dòng)機(jī)炮尾比對(duì)，發(fā)現(xiàn)藥筒上的壓痕和凸起都能夠與炮尾閉鎖齒、阻鐵等完全吻合，從以上跡象來(lái)看，應(yīng)是藥筒在抽出炮尾半個(gè)彈長(zhǎng)距離時(shí)被炸裂外翻，貼到炮尾閉鎖齒位置形成的壓痕。

同時(shí)，對(duì)自動(dòng)機(jī)各零部件進(jìn)行檢查，曲線槽完好無(wú)損，炮閂支架在星形體的縱向?qū)Р蹆?nèi)按規(guī)律分布，炮閂與炮閂支架裝配關(guān)系正確。由此可知自動(dòng)機(jī)的裝配無(wú)問(wèn)題。

4 故障原因分析

根據(jù)故障現(xiàn)象，初步分析認(rèn)為：炮彈經(jīng)自動(dòng)機(jī)閉鎖通電后，底火未在膛內(nèi)及時(shí)點(diǎn)燃發(fā)射藥[4]，隨著自動(dòng)機(jī)的循環(huán)，解鎖后抽殼過(guò)程中，底火才將發(fā)射藥點(diǎn)燃，即發(fā)生了遲發(fā)火故障。此時(shí)部分藥筒已從炮膛內(nèi)抽出，在無(wú)膛壁承壓的情況下，發(fā)生藥筒炸裂，彈丸留膛，同時(shí)膛內(nèi)的彈丸、藥筒殘余部分、發(fā)射藥藥粒等阻礙將進(jìn)入1#膛的下一發(fā)炮彈入膛，1#炮閂不能到達(dá)前方閉鎖位置，導(dǎo)致身管組停轉(zhuǎn),火炮停射。

為消除武器系統(tǒng)故障隱患，從火炮和炮彈兩方面進(jìn)行分析，尋找可能引起該遲發(fā)火的末端因素，建立故障分析流程圖，如圖5所示。

4.1 火炮故障原因

4.1.1 自動(dòng)機(jī)循環(huán)圖

轉(zhuǎn)管炮在射擊時(shí)，輸彈、關(guān)閂、閉鎖、擊發(fā)、開(kāi)鎖、抽殼等機(jī)構(gòu)動(dòng)作應(yīng)嚴(yán)格按照自動(dòng)機(jī)循環(huán)圖時(shí)序執(zhí)行，若實(shí)際結(jié)構(gòu)動(dòng)作與循環(huán)圖理論時(shí)序不符，可能會(huì)出現(xiàn)閉鎖段時(shí)間不足就發(fā)生開(kāi)鎖、抽殼等動(dòng)作，造成高膛壓下開(kāi)閂，即提前開(kāi)閂，則會(huì)造成藥筒炸裂故障。

該故障炮自動(dòng)機(jī)理論循環(huán)圖前期經(jīng)過(guò)大量的理論計(jì)算、仿真分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，可證明循環(huán)圖時(shí)序是正確的，自動(dòng)機(jī)的循環(huán)圖如圖6所示，在設(shè)計(jì)的最高射速條件下S4段終點(diǎn)時(shí)間為6.4 ms.基于故障炮的實(shí)際結(jié)構(gòu)，測(cè)量了故障自動(dòng)機(jī)實(shí)際循環(huán)圖，如炮箱凸輪曲線、閉鎖器和解鎖器位置，經(jīng)計(jì)算得出實(shí)際S4段終點(diǎn)時(shí)間為6.5 ms.而炮彈的理論內(nèi)彈道時(shí)間t4為6.3 ms，因此可知在最高射速條件下，以炮彈的內(nèi)彈道時(shí)間t4為參考，自動(dòng)機(jī)的理論循環(huán)與實(shí)際循環(huán)誤差在2%以內(nèi)，可確認(rèn)故障自動(dòng)機(jī)實(shí)際循環(huán)時(shí)序與理論時(shí)序一致，因此可排除自動(dòng)機(jī)循環(huán)圖與理論不吻合這一因素。

4.1.2 火炮使彈丸松動(dòng)

炮彈由彈丸和藥筒兩部分組成，若在炮彈供彈入膛之前，火炮使彈丸與藥筒之間發(fā)生松動(dòng)，閉鎖擊發(fā)時(shí)，假設(shè)火藥燃?xì)鈺?huì)從彈丸松動(dòng)處泄露，不能有效將彈丸推彈入膛及正常發(fā)射，則會(huì)出現(xiàn)遲發(fā)火現(xiàn)象。

從現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的情況來(lái)看，雖然未擊發(fā)彈的彈丸未見(jiàn)松動(dòng)情況,但仍針對(duì)彈丸松動(dòng)情況進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)。彈丸正常狀態(tài)下，理論上內(nèi)彈道最大膛壓P為470.4 MPa，點(diǎn)火延遲時(shí)間t2為0.94 ms，內(nèi)彈道總時(shí)間t4為6.3 ms，彈丸松動(dòng)試驗(yàn)如表1所示，其中彈丸松動(dòng)狀態(tài)分輕微松動(dòng)、微松動(dòng)、松動(dòng)，僅表示彈丸的松動(dòng)程度由弱到強(qiáng)，但不影響彈丸的射擊試驗(yàn)。表1中M為試驗(yàn)內(nèi)彈道最大膛壓與理論內(nèi)彈道最大膛壓的比值，N為試驗(yàn)點(diǎn)火延遲時(shí)間與理論點(diǎn)火延遲時(shí)間的比值，Q為試驗(yàn)內(nèi)彈道總時(shí)間與理論內(nèi)彈道時(shí)間的比值。

表1 彈丸松動(dòng)試驗(yàn)

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，3發(fā)炮彈彈丸松動(dòng)情況下，試驗(yàn)數(shù)據(jù)相對(duì)于理論數(shù)據(jù)的誤差在5%以內(nèi)，得出射擊試驗(yàn)的內(nèi)彈道數(shù)據(jù)正常，否定了上述假設(shè)，驗(yàn)證了即使彈丸松動(dòng)也不會(huì)出現(xiàn)故障。

4.1.3 火炮供彈機(jī)構(gòu)將藥筒戳破

若火炮供彈機(jī)構(gòu)零部件將藥筒戳破，在閉鎖擊發(fā)時(shí)，發(fā)射藥會(huì)在破口處泄露，造成膛內(nèi)壓力大幅降低，火藥氣體能量不足，無(wú)法將彈丸發(fā)射出去，從而在抽殼階段出現(xiàn)上述故障現(xiàn)象。

可能戳破藥筒的零件有供彈機(jī)構(gòu)斜撥彈輪和供彈機(jī)構(gòu)外導(dǎo)引，實(shí)物檢查上述零件，未發(fā)現(xiàn)有裝配錯(cuò)誤及零件損壞問(wèn)題。在計(jì)算機(jī)上比對(duì)三維模型，如圖7所示，未發(fā)現(xiàn)有設(shè)計(jì)問(wèn)題，基本可排除供彈機(jī)構(gòu)零件將藥筒戳破的可能性。

將藥筒戳破，進(jìn)行單發(fā)彈道炮模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，藥筒破口部位被發(fā)射藥熏黑，而實(shí)際藥筒破口部位無(wú)此現(xiàn)象，因此可排除供彈機(jī)構(gòu)零部件將藥筒戳破導(dǎo)致火炮故障的因素。

4.1.4 火炮射擊電路電壓不夠

火炮正常射擊需要滿足的必要條件之一，是控制系統(tǒng)的電源能夠?yàn)榈谆鹬械臉蜃杞z提供足夠的電壓，使橋阻絲在接通電流后會(huì)產(chǎn)生一定熱能，依次點(diǎn)燃引燃藥、點(diǎn)火藥及發(fā)射藥，最終將彈丸發(fā)射出去。如果火炮射擊電路電壓不足，將造成擊發(fā)能量低，會(huì)出現(xiàn)遲發(fā)火現(xiàn)象。

該轉(zhuǎn)管炮控制系統(tǒng)電源可為底火提供27 V直流電壓，為保證電壓的穩(wěn)定與可靠，已采取兩項(xiàng)優(yōu)化措施：匹配危界機(jī)構(gòu)縮短射擊電路，減少線路上的能量損失；采用開(kāi)關(guān)電源替代原橋式整流電源，電源的品質(zhì)更好。

故障炮試驗(yàn)監(jiān)測(cè)到的電流截屏如圖9所示，從圖中可以看出，最低值大于10 A，可有效地滿足底火6 A的可靠發(fā)火要求。另對(duì)故障前和故障后射擊線路檢查均正常，因此可排除射擊電路電壓不足這一因素。

4.1.5 擊針有油污使擊發(fā)電流減小

若擊針有油污，會(huì)影響擊發(fā)瞬間電流的傳輸，減弱擊發(fā)能量，會(huì)造成炮彈的不可靠擊發(fā)，從而出現(xiàn)遲發(fā)火。

在射擊前均進(jìn)行了絕緣電阻檢查，故障發(fā)生后，在未經(jīng)清洗情況下，也進(jìn)行了絕緣電阻檢查，電阻值均滿足規(guī)定的要求。擊針也未見(jiàn)到油污及絕緣層損壞的情況，從后續(xù)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)到的電流來(lái)看，擊發(fā)電流可有效地滿足底火6 A電流的發(fā)火要求，因此本因素可以排除。

4.2 炮彈故障原因

4.2.1 發(fā)射藥受潮

為驗(yàn)證發(fā)射藥在不同吸水程度情況下，對(duì)火炮的內(nèi)彈道影響程度[5-6]，在某檢測(cè)中心進(jìn)行了發(fā)射藥吸水驗(yàn)證試驗(yàn)。

正常情況下發(fā)射藥的內(nèi)彈道時(shí)間為6.3 ms，規(guī)定一個(gè)單位吸水量為wg，產(chǎn)品不同吸水量狀態(tài)如表2所示。從表中數(shù)據(jù)可以看出，發(fā)射藥在吸水達(dá)一定量時(shí)會(huì)產(chǎn)生遲發(fā)火現(xiàn)象。

表2 發(fā)射藥加水試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)射藥吸水達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)對(duì)火藥的燃燒規(guī)律有少量影響，但影響程度從彈道炮試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看不會(huì)造成本故障。當(dāng)藥筒內(nèi)吸水量達(dá)到飽和吸水的2倍時(shí)，可使炮彈發(fā)射的內(nèi)彈道時(shí)間t4明顯延長(zhǎng)，即遲發(fā)火現(xiàn)象。

4.2.2 緊口力不足

彈丸和藥筒之間通過(guò)藥筒緊口力連接到一起即為炮彈。若藥筒緊口力不足，在閉鎖擊發(fā)時(shí)，有可能會(huì)影響炮彈的內(nèi)彈道時(shí)間，從而間接影響火炮的發(fā)火時(shí)間，即出現(xiàn)遲發(fā)火現(xiàn)象。

對(duì)藥筒緊口力不足進(jìn)行了3組彈道炮試驗(yàn)，從試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，彈丸緊口力不足不會(huì)產(chǎn)生本故障。

表3 彈丸緊口力不足試驗(yàn)

4.2.3 底火電阻大

在生產(chǎn)過(guò)程中，不能保證每發(fā)炮彈底火的橋阻絲數(shù)值完全一致，其阻值的不同會(huì)造成實(shí)際電流、熔斷時(shí)間的差異，進(jìn)而影響底火的可靠發(fā)火。

對(duì)不同量引燃藥的底火橋阻絲電阻進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表4所示，引燃藥分別為a1、a2、a3、a4、a5,且按順序依次遞增，其中Pm為底火最大膛壓，Tm為底火燃燒終了時(shí)間。

表4 底火P-t曲線測(cè)試結(jié)果

從表4的測(cè)量數(shù)據(jù)可得出，在不同范圍量的引燃藥情況下，擊發(fā)過(guò)程中底火橋阻絲電阻變化較小，不會(huì)影響底火電流的可靠發(fā)火。

4.2.4 傳火序列問(wèn)題遲發(fā)火

傳火序列的不同會(huì)在一定程度上影響炮彈的內(nèi)彈道時(shí)間，有可能會(huì)出現(xiàn)遲發(fā)火現(xiàn)象，故對(duì)不同量的點(diǎn)火藥、引燃藥及發(fā)射藥的傳火序列進(jìn)行了彈道炮試驗(yàn)，點(diǎn)火藥基量為α，引燃藥基量為ε，發(fā)射藥基量為σ，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示[7]。

表5 點(diǎn)火藥、引燃藥、發(fā)射藥量遞減試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)彈道炮試驗(yàn)可得出，炮彈的內(nèi)彈道時(shí)間與點(diǎn)火藥、引燃藥、發(fā)射藥成反比例關(guān)系，當(dāng)點(diǎn)火藥、引燃藥、發(fā)射藥量少到一定的程度，均會(huì)引起遲發(fā)火。

4.3 分析結(jié)論

某型轉(zhuǎn)管炮炮彈發(fā)火過(guò)程是[8]：當(dāng)炮彈進(jìn)入彈膛內(nèi)，在不完全閉鎖的情況下，電源接通開(kāi)始給電底火供電，底火發(fā)火電路如圖10所示。

經(jīng)過(guò)分析及試驗(yàn)測(cè)試可得出結(jié)論:如果電底火中點(diǎn)火藥內(nèi)含有過(guò)多水份，就會(huì)在引燃藥點(diǎn)燃點(diǎn)火藥及點(diǎn)火藥燃燒過(guò)程中消耗能量，影響點(diǎn)火藥的正常燃燒，造成點(diǎn)火藥燃燒緩慢，產(chǎn)生的燃?xì)鈮毫Φ?，點(diǎn)火能量不足，不能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)提供正常的點(diǎn)燃發(fā)射藥所需的點(diǎn)火能量，造成炮彈遲發(fā)火，發(fā)生遲發(fā)火故障，因而在高射速的轉(zhuǎn)管炮退殼過(guò)程中將藥筒炸裂。

5 結(jié)束語(yǔ)

某轉(zhuǎn)管炮射擊試驗(yàn)出現(xiàn)火炮意外停射、藥筒破裂、發(fā)射藥散落的故障，初步判斷故障癥結(jié)為炮彈遲發(fā)火。為消除武器系統(tǒng)故障隱患，從火炮和炮彈兩個(gè)方面尋找故障的末端因素?；鹋诜矫娣治隽俗詣?dòng)機(jī)實(shí)際循環(huán)圖，并與理論循環(huán)圖進(jìn)行對(duì)比，吻合較好；從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上分析了供彈機(jī)構(gòu)中零件將藥筒戳破的可能性，并進(jìn)行了火炮模擬藥筒戳破射擊驗(yàn)證試驗(yàn)，彈丸正常發(fā)射、藥筒未炸裂，排除了該因素；對(duì)火炮射擊電路的電壓、電流進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，均滿足設(shè)計(jì)要求，可保證底火的可靠發(fā)火。炮彈方面分別從發(fā)火藥受潮、緊口力不足、底火電阻大及傳火序列問(wèn)題等方面尋找遲發(fā)火原因，并進(jìn)行了相關(guān)的驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果表明當(dāng)帶芯電極底火體含有一定水份，總裝完成后，水浸入點(diǎn)火藥，導(dǎo)致電底火點(diǎn)火藥內(nèi)含有過(guò)多水分引起遲發(fā)火。

針對(duì)某轉(zhuǎn)管炮故障查找末端因素過(guò)程中，所采用的分析流程及驗(yàn)證方法對(duì)火炮武器系統(tǒng)故障的分析解決具有一定的借鑒作用。