艦炮發(fā)射藥筒方案可行性分析

李 翔，魏 錦，李 偉，牛志鵬，李永輝，王 震

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

0 引 言

某型艦炮是未來海軍遂行多功能作戰(zhàn)任務(wù)的大口徑艦炮，采用彈丸和藥筒分裝式發(fā)射方式，藥筒形式與艦炮主要戰(zhàn)技指標(biāo)密切相關(guān)，會(huì)從根本上影響艦炮性能、可靠性、適裝性等基本特性，艦炮總體設(shè)計(jì)之初，就要確定藥筒采用何種方案。國(guó)內(nèi)外火炮發(fā)射藥筒常用的形式包括金屬藥筒、半可燃藥筒和全可燃藥筒。金屬藥筒應(yīng)用最早、最為常見，一般用黃銅或鋼制成[1]；可燃藥筒技術(shù)突破于20 世紀(jì)60 年代初，一般由硝化纖維素、木質(zhì)纖維、粘合劑和安定劑等材料模壓或卷制而成，是一種疏松多孔的、非均質(zhì)符合含能材料且富含親水性纖維[2]；半可燃藥筒幾乎與可燃藥筒同時(shí)出現(xiàn)，是為了解決可燃藥筒的閉氣和點(diǎn)火問題、使用帶底火的金屬藥筒底座與可燃筒體粘結(jié)而成。某型艦炮方案論證時(shí)，采用哪種形式的藥筒成為爭(zhēng)論的焦點(diǎn)。本文從射擊安全性、自動(dòng)化揚(yáng)供輸過程的匹配性、艦用環(huán)境適應(yīng)性、勤務(wù)性和機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠性等方面進(jìn)行充分分析、試驗(yàn)和測(cè)試，最終確定某型艦炮的發(fā)射藥筒方案。

1 艦炮高射速、長(zhǎng)連發(fā)的持續(xù)作戰(zhàn)需求

為了遂行多功能作戰(zhàn)任務(wù)，某型艦炮對(duì)威力和射速均提出了較高要求。相比陸用同口徑火炮，威力的增大和射速的提高帶來藥室增大、發(fā)射裝藥質(zhì)量增大和對(duì)身管更大的機(jī)械強(qiáng)度作用以及更強(qiáng)的熱作用[3]，發(fā)射過程中，身管膛壁吸收10%～20%的火藥燃?xì)鉄崃浚砉軠厣芸?，尤其在發(fā)射率較高時(shí)，內(nèi)膛溫度急劇升高并產(chǎn)生累積效果。

可燃藥筒筒體燃點(diǎn)相對(duì)較低。由相關(guān)試驗(yàn)可知，可燃藥筒材料發(fā)火點(diǎn)在186 ℃～194 ℃范圍內(nèi)變化，如圖1 和表1 所示。雖然表面涂上耐高溫涂層后，能夠在400 ℃條件下持續(xù)2 min 不燃燒，但在艦炮全自動(dòng)裝填過程中，外表面涂層會(huì)因機(jī)械接觸、摩擦等因素局部脫落，降低其耐溫性能，存在安全隱患。

圖1 發(fā)火點(diǎn)試驗(yàn)Fig.1 Test for ignition point

表1 發(fā)火點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Test result for ignition point

對(duì)某型艦炮單發(fā)、5 連發(fā)和12 連發(fā)射擊時(shí)，藥室部的溫升進(jìn)行計(jì)算，如圖2 所示。單發(fā)、5 連發(fā)和12 連發(fā)時(shí)身管內(nèi)表面局部溫度變化，如圖3 所示。

由計(jì)算結(jié)果可以看出，在無身管冷卻條件下，按照最大射速射擊時(shí)，在第6 發(fā)射擊前，身管藥室部?jī)?nèi)壁局部最高溫度達(dá)到142 ℃；在13 發(fā)射擊前，身管藥室部?jī)?nèi)壁局部最高溫度達(dá)到320 ℃。

經(jīng)上述分析，大口徑艦炮裝藥量大、膛壓高、射速快，連發(fā)射擊時(shí)內(nèi)膛升溫快，藥室處的內(nèi)表面溫度可達(dá)數(shù)百度，可燃藥筒入膛后與之接觸的內(nèi)膛表面溫度有可能達(dá)到或超過其著火溫度，可燃藥筒入膛后存在安全風(fēng)險(xiǎn)。此外，可燃藥筒能否在膛內(nèi)燃盡是一個(gè)極其重要的指標(biāo)。若燃燒不完全，在藥室或膛內(nèi)留有殘?jiān)?，不僅會(huì)增大彈丸的運(yùn)動(dòng)阻力，甚至?xí)斐商耪ǖ葒?yán)重事故[4]。

同時(shí)，為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，全可燃藥筒發(fā)射時(shí)需采用激光點(diǎn)火系統(tǒng)，用激光器通過炮尾的光學(xué)（一般用藍(lán)寶石）窗口引入火藥，使之點(diǎn)火。激光點(diǎn)火原理如圖4 所示。

激光點(diǎn)火發(fā)射全可燃藥筒彈藥時(shí)，產(chǎn)生的煙霧容易對(duì)膛底藍(lán)寶石窗口產(chǎn)生污染。黑火藥在燃燒時(shí)產(chǎn)生大量未燃完的細(xì)微顆粒隨著氣流運(yùn)動(dòng)吸附在窗口上，使光學(xué)窗口的透光性受到破壞，通過光學(xué)窗口的激光能量減小，造成激光點(diǎn)火系統(tǒng)的點(diǎn)火可靠性降低[5]，即使加大激光功率也存在不能可靠擊發(fā)的可能。美軍早在20 多年前已開始進(jìn)行研究，截止目前未能工程化應(yīng)用，其中最大的難題就是藍(lán)寶石窗口的自潔問題。美國(guó)海軍在模塊化裝藥成熟的情況下，仍采用閉氣性能和勤務(wù)性好的金屬藥筒，應(yīng)是存在某種尚未解決的技術(shù)難題。

圖2 藥室部射擊后的溫度分布云圖Fig.2 Temperature distribution for chamber after firing

圖3 藥室部?jī)?nèi)表面溫度變化Fig.3 Temperature variation of inner surface of chamber

圖4 激光點(diǎn)火原理圖Fig.4 Schematic drawing of laser igniting

半可燃藥筒雖然沒有激光點(diǎn)火的問題，但同樣存在膛內(nèi)意外點(diǎn)火的風(fēng)險(xiǎn)。

金屬藥筒可大大緩解發(fā)射過程中對(duì)藥室內(nèi)壁的熱沖擊，尤其在火炮連續(xù)射擊時(shí)，由于藥筒處于與氣體接觸的溫度變化最激烈的區(qū)域，藥筒的抽出使得很大一部分熱量被帶走，有利于緩解火炮的熱積累。金屬藥筒會(huì)對(duì)裝藥起到一定的保護(hù)作用，冷的藥筒把熱的內(nèi)膛壁面與發(fā)射藥隔開，緩解了發(fā)射藥所受的熱沖擊，能夠非常有效地阻止炮彈的發(fā)射藥因溫度過高而自燃[6]。同時(shí)，金屬藥筒所采用的點(diǎn)傳火技術(shù)更加成熟。因此，金屬藥筒的高安全性更加適合高射速、長(zhǎng)連發(fā)的持續(xù)作戰(zhàn)需求

2 適應(yīng)艦船搖擺、長(zhǎng)通道揚(yáng)供輸過程的要求

艦炮受海洋搖擺環(huán)境的影響，采用全自動(dòng)供輸彈系統(tǒng)，供彈行程長(zhǎng)、速度快、沖擊大、過載高，艦炮供輸彈過程需對(duì)彈藥進(jìn)行全約束，在炮庫(kù)一體化和高發(fā)射率要求下，彈藥在揚(yáng)供輸通道的轉(zhuǎn)運(yùn)和交接不可避免的存在動(dòng)態(tài)沖擊和機(jī)械接觸，同時(shí)揚(yáng)彈通道中的安全聯(lián)鎖等機(jī)構(gòu)將直接碰撞高速運(yùn)動(dòng)中的藥筒筒壁，都會(huì)對(duì)彈藥產(chǎn)生一定影響。

可燃藥筒存在燃盡性與強(qiáng)度間的矛盾，若提高藥筒的強(qiáng)度，則射擊后煙霧較多，留有殘?jiān)?，燃盡性較差。因此，需對(duì)可燃藥筒剛強(qiáng)度性能進(jìn)行驗(yàn)證，明確其對(duì)裝藥的安全性的影響。

2.1 可燃藥筒機(jī)械性能試驗(yàn)

可燃藥筒拉伸、壓縮和跌落試驗(yàn)及藥筒試驗(yàn)后狀態(tài)，如圖5 所示。

試驗(yàn)結(jié)果如表2～表5 所示。

由相關(guān)試驗(yàn)可知，可燃藥筒抗拉強(qiáng)度在22 MPa 左右，遠(yuǎn)低于金屬藥筒（≥200 MPa），同時(shí)半可燃藥筒在藥筒蓋和底座粘接處易發(fā)生損壞。

2.2 可燃藥筒供彈通道全流程試驗(yàn)

圖5 可燃藥筒機(jī)械性能試驗(yàn)Fig.5 Mechanical performance test of combustible case

在某型艦炮儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)樣機(jī)進(jìn)行可燃藥筒供彈通道全流程試驗(yàn)。在藥筒和常規(guī)彈進(jìn)行供輸彈動(dòng)作過程中，藥筒在與揚(yáng)彈通道接觸后，表面受到一定程度的磨損，涂層脫落；同時(shí)在受到?jīng)_擊等作用后，藥筒由于筒體整體剛度較低而產(chǎn)生一定程度的變形，同時(shí)藥筒口部因強(qiáng)度不足而產(chǎn)生變形，如圖6 所示。

表2 拉伸試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Tension test result

表5 1.6 m 跌落試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Drop test result for 1.6 m

圖6 可燃藥筒供彈通道全流程試驗(yàn)Fig.6 Entire process test of ammunition feeding way for combustible case

由此可知，半可燃藥筒筒體與金屬底座的粘接處易發(fā)生變形，影響半可燃藥筒的整體強(qiáng)度；全可燃藥筒的剛度、強(qiáng)度都很低，無法承受供輸彈過程中產(chǎn)生的巨大沖擊力以及與安全聯(lián)鎖裝置的相互作用。可燃藥筒剛強(qiáng)度與揚(yáng)供輸通道及其安全聯(lián)鎖裝置的匹配存在一定問題，將影響藥筒及發(fā)射裝藥的使用安全性和可靠性。

傳統(tǒng)艦炮裝藥采用的金屬藥筒裝藥技術(shù)，其結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度和與艦炮揚(yáng)供輸通道及其安全聯(lián)鎖裝置的匹配均經(jīng)過實(shí)戰(zhàn)考核，技術(shù)成熟，性能可靠。在艦炮供輸彈過程中對(duì)藥筒產(chǎn)生的慣性力、碰撞力很大，金屬藥筒由于具有較高的剛強(qiáng)度，幾乎承受了來自外部所有的力，保證了內(nèi)部發(fā)射藥的完整性及供輸彈過程機(jī)構(gòu)動(dòng)作的可靠性。因此，金屬藥筒的大剛強(qiáng)度更加適合大搖擺、長(zhǎng)通道的揚(yáng)供輸過程。

3 適合海洋“高溫、高濕和高鹽霧”環(huán)境的要求

艦炮處于高溫、高濕和高鹽霧的海洋環(huán)境。可燃藥筒由于其主要成分是硝化棉，具有較強(qiáng)的吸濕性，采用可燃藥筒的彈藥對(duì)儲(chǔ)存、勤務(wù)處理和使用過程中的安全性要求更高[7]。在儲(chǔ)存過程中，可燃筒體的化學(xué)性能受環(huán)境影響會(huì)發(fā)生變化，其含水量嚴(yán)重影響藥筒各項(xiàng)燃燒性能參數(shù)[8]，從而影響彈藥的使用性能，吸濕的可燃藥筒材料燃速減慢，膛壓較低，就可能產(chǎn)生燃燒不完全并留有殘?jiān)默F(xiàn)象，同時(shí)影響內(nèi)彈道一致性。

3.1 環(huán)境適應(yīng)性

根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果可知：

1）淋雨試驗(yàn)，可燃藥筒在非包裝狀態(tài)下，淋雨一小時(shí)后，可燃藥筒表面擦拭和非擦拭條件下都能夠燃燒完全；

2）浸水試驗(yàn)，將可燃藥筒浸入水中，浸水深度1 m，持續(xù)30 min（目前最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間為19 h），取出后測(cè)得可燃藥筒水分含量在3.8%以下，符合可燃藥筒水分含量規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，能夠燃燒完全；

3）高濕試驗(yàn)，在濕度90%的環(huán)境中，將可燃藥筒裸露存放7 天，可燃藥筒燃燒性能不受影響，能夠完全燃燒。

雖然目前可燃藥筒經(jīng)過淋雨、浸水、高濕等試驗(yàn)，能夠完全燃燒，但燃速降低對(duì)內(nèi)彈道的影響尚不清楚，且其與海洋環(huán)境仍有很大的差別，海洋環(huán)境是否影響可燃藥筒的長(zhǎng)期儲(chǔ)存還未進(jìn)行可靠地試驗(yàn)驗(yàn)證，防火、防潮以及長(zhǎng)期儲(chǔ)存性能低于金屬藥筒。

3.2 勤務(wù)性

射擊以后，火藥燃燒不可避免的會(huì)產(chǎn)生火藥殘?jiān)?，采用可燃藥筒射擊后，將直接留在身管?nèi)膛表面，需要頻繁對(duì)藥室進(jìn)行擦拭清潔，火藥殘?jiān)攘籼艜?huì)對(duì)后續(xù)發(fā)射安全性造成影響，火藥燃燒直接作用于藥室內(nèi)壁會(huì)影響火炮身管壽命。同時(shí)射擊中出現(xiàn)瞎火彈情況時(shí)，如何退出可燃藥筒以及可燃藥筒退出后如何處理等也是需要深入考慮的問題。再次裝填藥筒時(shí)，已嵌膛的彈丸有可能掉落，藥筒應(yīng)能承受掉落彈丸的沖擊。

金屬藥筒對(duì)海洋“三高”環(huán)境適應(yīng)性好。采用金屬藥筒時(shí)，火藥燃燒后即使有火藥殘?jiān)矔?huì)留在藥筒內(nèi)部，隨火炮抽筒排殼后帶出炮膛，有利于藥室的清潔及保護(hù)。

4 全炮機(jī)構(gòu)可靠性要求

4.1 抽筒、排殼機(jī)構(gòu)

可燃藥筒雖免去了抽筒、排殼動(dòng)作，但隨之帶來激光點(diǎn)火等技術(shù)不夠成熟的問題。采用金屬藥筒雖需抽筒、排殼等機(jī)構(gòu)，但抽筒、排殼動(dòng)作不占用整個(gè)自動(dòng)循環(huán)時(shí)間，技術(shù)成熟，可靠性高。

4.2 火藥氣體密封機(jī)構(gòu)

火炮發(fā)射時(shí)火藥氣體燃燒釋放高溫，金屬藥筒受熱膨脹與身管內(nèi)壁產(chǎn)生過盈配合，從而在身管和彈底之間形成了一個(gè)密閉空間，保證了膛內(nèi)迅速膨脹的高壓氣體不會(huì)泄漏，起到可靠的密封作用。

全可燃藥筒在火炮發(fā)射過程中需要增加一個(gè)可靠的炮膛密封結(jié)構(gòu)來對(duì)火藥氣體進(jìn)行有效密封，但在火炮密封技術(shù)上，關(guān)鍵密封件難以達(dá)到設(shè)計(jì)使用壽命要求[9]。目前常用的楔式炮閂加金屬環(huán)閉氣的閉氣手段，閉氣環(huán)使用壽命短，一旦有火藥殘?jiān)粼陂]氣環(huán)上，閉氣環(huán)的壽命就更低，軍貿(mào)大口徑火炮閉氣環(huán)實(shí)際壽命僅有三四十發(fā)。

4.3 溫度報(bào)警裝置

大口徑火炮在采用藥包或可燃藥筒裝藥時(shí)，為了避免當(dāng)藥室溫度達(dá)到藥包或藥筒的自燃溫度而使發(fā)射裝藥點(diǎn)燃，增設(shè)了溫度報(bào)警裝置。監(jiān)控火炮身管特別是藥室的溫度受到各國(guó)的重視，俄羅斯在其某型迫榴彈上就裝有溫度報(bào)警裝置，南非和英國(guó)等國(guó)在其某型自行炮上安裝了溫度報(bào)警裝置，我國(guó)某型自行火炮為適應(yīng)國(guó)際市場(chǎng)要求也進(jìn)行了身管溫度報(bào)警裝置的研制[10]。由此，在采用可燃藥筒裝藥時(shí)，膛內(nèi)溫度過高仍繼續(xù)發(fā)射，會(huì)對(duì)發(fā)射安全性產(chǎn)生一定的影響，從而限制了火炮持續(xù)作戰(zhàn)能力[11]。而采用金屬藥筒時(shí)不需考慮該問題。

5 結(jié) 語

綜上，金屬藥筒的高安全性更加適合高射速、長(zhǎng)連發(fā)的持續(xù)作戰(zhàn)需求，其剛強(qiáng)度更加適合搖擺、長(zhǎng)通道的揚(yáng)供輸過程，高環(huán)境適應(yīng)性和勤務(wù)性更加適合“三高”的海洋環(huán)境，同時(shí)可使全炮機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)更加可靠。某型艦炮應(yīng)采用安全性、可靠性更高的金屬藥筒方案。