火炮身管壽命評估方法及其標準研究

馮一帆，李 博，張曉暉，孫 麗，焦 紅，田志輝

(中國兵器工業標準化研究所，北京 100089)

自從火炮作為兵器出現以來，各國不斷致力于提升火炮性能(高溫、高初速、高膛壓)以滿足戰爭需要，但同樣對火炮身管壽命提出了更高的要求。目前西方第三代坦克的滑膛炮可以達到1 500發左右的壽命，這個數字是現階段高壓滑膛炮的極限水平。圖1所示為高壓滑膛炮身管實物圖。

圖1 高壓滑膛炮身管

提升身管壽命、降低身管燒蝕磨損的技術措施主要有采用低爆溫發射藥、發射藥內添加緩蝕劑、改善彈帶或炮膛結構、采用短襯管及內膛鍍鉻等[1-2]。圖2所示為萊茵金屬Rh-120坦克炮的鍍鉻內膛，可以看出鍍鉻后的內膛非常光滑。這些措施雖然使火炮身管壽命得到一定程度的提高，但在壽命評估方面，現有國軍標、行業標準等相關標準依舊以發射彈丸及身管本身的常規指標(如彈丸初速、飛行穩定性、內膛燒蝕磨損)來判定身管剩余壽命[3-4]，無法精準定量地評估身管壽命。

圖2 萊茵金屬Rh-120坦克炮的鍍鉻內膛

當前部隊裝備的許多新型火炮沒有經過全壽命試驗，由于沒有準確的壽命評估方法，導致部隊在使用新型火炮時存在一定的使用風險和安全隱患。本文在目前身管壽命研究的基礎上，重點分析身管壽命評估方法及相關標準，并對身管壽命評估研究提出標準化方面的建議。

1 火炮身管壽命基本概念

身管壽命一般是指在火炮彈道性能降低到指標規定的允許值或因疲勞損壞喪失戰斗使用性能前身管所能發射的當量全裝藥射彈數[5]，前者稱為身管的彈道壽命，后者稱為身管的疲勞壽命。身管壽命受其彈道壽命和疲勞壽命制約，其中較短者就是身管的壽命[6]。

值得注意的是關于身管的疲勞壽命概念，它是身管在發射條件下，膛壁產生疲勞裂紋隨射彈發射增加而發展，最終導致身管斷裂破壞的這一過程身管所累計的射彈發數。疲勞破壞涉及火炮發射的安全性，在火炮設計時，通常都需要保證疲勞壽命大于彈道壽命，這對于保證身管在使用壽命期內發射安全性至關重要。

2 身管壽命損耗及壽命提升

2.1 身管壽命損耗

在發射過程中，身管膛內發生復雜的物理化學變化：一是高溫火藥燃氣對內膛表面的快速加熱和燒蝕；二是因彈帶與內膛表面間高速摩擦以及高速燃氣流的吹蝕作用引起的膛表金屬磨損；三是發射藥對身管內膛的化學腐蝕作用；四是動態沖擊載荷作用造成的身管疲勞損傷，尤其是在疲勞作用下裂紋沿徑向擴展可能導致身管因剩余強度不足而發生災難性的斷裂事故，即發生膛炸(見圖3)，其后果往往是炮毀人亡。

圖3 坦克火炮身管炸膛

2.2 身管壽命提升

面對不同發射條件以及不同類型彈藥，身管壽命將受到力—熱—化學多因素耦合作用的影響。對于提升身管壽命降低發射過程中的燒蝕磨損，國外主要從改進身管使用性能等方面提升身管壽命。

美國陸軍實驗室利用陶瓷的耐磨性和抗高溫性優點，用α-碳纖維陶瓷制備陶瓷基復合材料身管內襯，該身管可經受1 000次滑膛炮的單發射擊，并在射擊中可有效消除火藥氣體造成的應力和結構損傷。美國貝尼特武器實驗室利用磁控濺射鍍膜技術取代傳統身管鍍鉻工藝，從而改進身管使用性能，該技術已用在法國Casius火炮120 mm及155 mm口徑身管上[7-8]。

除此以外，還有從改進發射藥、改進身管結構等方面去提升身管壽命，表1總結并對比了這3類提升壽命方法的特點。

表1 提升身管壽命的方法

通過對身管采用熱處理、鍍層、復合身管材料等手段，能夠有效地提高身管抗燒蝕性能，延長身管壽命。并且改進身管性能這一措施相比于改變發射藥、改進彈體結構等措施，其工程實用性更好，也更容易推廣使用，并且不受彈藥種類、彈體結構的限制。

3 身管壽命評估方法及標準

3.1 身管彈道壽命評估

隨著各國對身管武器壽命的重視，研究人員對身管壽命評估做了大量研究。開展身管壽命評估的目的是：1)考核研制或申請定型火炮身管壽命是否達到指標要求；2)認定服役火炮身管壽命終止條件和更換備管時機；3)用于推動身管壽命技術研究。

身管的彈道壽命主要取決于身管的抗燒蝕磨損能力，目前彈道性能壽命的評估方法主要有膛線磨損量法、藥室增長量法、累計射彈發數法、初速下降量法等[9]。各方法的技術特點與不足之處見表2。

表2 身管壽命主要評估方法

3.2 身管疲勞壽命評估

對于身管疲勞壽命評定，國內外身管疲勞壽命的確定方法有3種。

1)實彈射擊試驗。能真實準確地確定身管疲勞壽命，但人力物資消耗巨大，試驗周期長且不安全，不再采用。

2)液壓疲勞模擬實驗。適應性強，費用低，結果可靠，操作安全，被英、美、德等多國采用。疲勞試驗能夠預測身管疲勞壽命，但是裂紋的深度難以準確測量，需要搭配射線探傷、磁粉探傷和超聲探傷等無損檢測法來測量裂紋深度。

3)利用斷裂力學理論估算身管疲勞壽命，也是目前國內外學者廣泛研究的方向。

3.3 身管壽命評估相關標準

目前國家軍用標準、行業標準中現行的身管壽命評估標準見表3。通過表3可以看出，大部分標準需要通過實彈試射試驗，測定初速下降量、立靶密集度等指標，同時通過設備儀器表征內膛磨損程度、身管直度徑規等性能。

表3 現行身管壽命評估標準及主要技術內容

表3中，GJB 2975—1997《火炮壽命試驗方法》需要進行大量試驗，如磨損射擊(戰斗射速射擊)試驗、身管測量檢查、內彈道性能檢查、立靶密集度試驗、地面密集度試驗、導帶性能試驗等，并綜合數據分析來判定壽命是否符合要求。根據該標準的相關規定，出現如下條件之一即認為身管彈道壽命終止：1)身管初速下降超過5%～10%(根據火炮具體要求確定)；2)立靶上出現橫彈數量超過50%；3)射擊時彈丸導帶全部削光，無膛線印痕；4)射擊試驗中，某一特征量超過戰術技術指標中規定的壽命標準。

GJB 2975—1997《火炮壽命試驗方法》發布年代雖比較久遠，但現行壽命評估標準大多是在其基礎上增加了其他壽命判定指標。例如，在2015年發布的GJB 8702—2015《高炮身管壽命評定準則》，細化了不同口徑高炮身管的壽命評估標準，并且涉及到的壽命判定指標也較為全面。而GJB 5703—2006《火炮身管剩余壽命通用判別方法》通過測定身管初速下降量、膛壓下降量，分析燒蝕磨損特征量，實現對身管剩余壽命的定量化評估，評估方法較為先進。但該方法較為繁瑣，需要建立火炮特性模型。

4 未來研究方向

通過分析相關文獻[10-13]可知，一些高校和科研院所基于燒蝕磨損機理以及試驗所得性能退化數據，在磨損量評估和身管壽命預測方面開展研究，通過提出磨損特征值的計算方法并建立壽命預測模型，提升了壽命推斷結論的可信性和準確性，這對于深入研究燒蝕機理和壽命預測都具有十分重要的意義。

但這些方法多為理論模型，未在實際使用過程中進行充分驗證，并且單一理論模型無法通用化地用于評估各類火炮身管壽命。結合實際工作情況與標準化情況，為更加精準定量化地評估身管壽命，同時能夠促進提高部隊的管理水平，指導部隊對火炮的使用，下一步發展方向應是配合身管延壽技術同期研制身管壽命定量評估標準，建立完善身管壽命技術標準體系，重點分析確定不同發射條件對應的力—熱—化學耦合作用下能夠真實反映火炮身管壽命的關鍵性能指標，形成適合我國火炮身管壽命的評估指標體系。

5 結語

目前，我國各型火炮在性能方面已經走在了世界前列，并且隨著對火炮身管壽命的不斷研究，我國火炮身管壽命也取得了巨大的提升。本文針對目前主要的身管壽命評估方法，對比分析了各類方法的特點和不足，梳理總結了目前主要身管壽命評估標準，提出了開展壽命評估指標體系、加強壽命定量評估標準研制、建立完善壽命標準體系的建議。