火炮身管寿命预测技术发展研究

摘要： 火炮身管寿命问题受到了从事火炮研究、设计、生产和使用人员的高度关注。通过概述火炮身管寿命的定义及其预测技术的发展历程，基于火炮身管寿命预测技术已经取得的成果，提出了对大口径火炮身管寿命实施实时动态预测的方法，并对该方法进行了初步的探讨，确定了实现该方法的关键技术所在。

Abstract： The gun barrel life problem has always arose the attention of people who's work related with gun which coverage the research， design， produce， and perform of gun. By summarizing the different definition of gun barrel life and its expectancy technology's phylogeny， the method of barrel life dynamic expectancy technology to large diameter gun was described based on the researched result， and the key technology to realize the method had been confirmed.

关键词： 火炮；身管寿命；发展历程；动态预测

Key words： Gun；Barrel Life；Phylogeny；Dynamic Expectancy

中图分类号：TG30 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）05-0316-03

0 引言

火炮身管的寿命基本上决定了整门火炮的寿命。随着火炮发射过程中火药和弹丸对身管的烧蚀磨损，身管的性能会逐渐发生改变，寿命也会不断的下降，直至最终报废。由于火炮射击时身管内膛处在高温、高压以及高速磨损的复杂状态下，所以难以利用测试装置对身管寿命快速而有效的进行预测。同时，身管寿命终止的形式很多，利用初速下降量等单独采用弹丸或者火炮的某一状态来表征身管寿命的方法具有一定的局限性。因此，身管寿命预测问题实际上到目前为止还没有得到比较完美的解决。

1 火炮身管寿命的定义

火炮射击过程中，身管在高温、高压的火药气体和高速运动的弹丸的反复烧蚀磨损下，内膛结构的形状、尺寸逐渐发生变化，致使火炮性能发生变化，当火炮性能下降到一定的程度，即认为身管寿命终止。由于身管寿命终止的表现形式是多种多样的，如弹带削光、初速下降至规定量值、射弹密集度下降到规定值、弹丸早炸、连续瞎火、炸膛等等，因此，各国专家学者在对身管寿命问题进行研究时从不同的条件、不同的角度出发建立了身管寿命的定义。

1.1 身管弹道寿命 火炮发射过程中，身管内火药气体的压力（压强）称为膛压，弹丸出炮口的速度称为初速，初速、膛压以及初速的或然误差是火炮的内弹道基本参数，称为内弹道性能，简称弹道性能。火炮的弹道性能随射弹发数的增加而变化，其弹道性能下降到一定程度后，不能有效地完成战斗任务，则认为其寿命终止，这种描述火炮身管寿命的方式称为弹道寿命[1]。身管弹道寿命是从火炮完成设计任务的角度出发定义的，通常通过初速下降量以及弹丸早炸、连续瞎火等现象表征寿命终止。身管弹道寿命一般应用于火炮的研究、设计以及生产过程中，通常只有在靶场试验环境下才能完成检测，而基层作战部队由于各种检测装备和作战任务完成等条件的限制还难以利用检测弹道寿命来评估身管的寿命。

1.2 身管疲劳寿命 身管疲劳寿命是指火炮经过多次射击，在热化学和应力的重复作用下，机械性能下降到一定的程度以后，内膛表面出现裂纹，并不断的生长、扩展直至最终断裂破坏，此时即认为身管寿命终止。大量的实践证明，随着材料学以及身管加工工艺的不断发展，身管的疲劳寿命远远高于其弹道寿命，而且受到测试技术的限制，这种判别身管寿命的方法无法得到推广应用。因此，目前对于身管疲劳寿命的研究已经逐渐减少。

1.3 极限寿命 身管极限寿命是指火炮随着射击次数的增加逐渐达到弹带削光、发射的弹丸不能稳定飞行等极限状态，已经丧失了战斗能力。由于极限状态预测困难，且其检测方法复杂，因此不能用于部队检测火炮身管寿命。

1.4 身管使用寿命 身管使用寿命是在身管弹道寿命或极限寿命的基础上，规定一个合适的提前量，作为火炮使用寿命的判别条件，以便于对火炮进行使用和管理，例如对于舰炮、高炮等小口径火炮，规定在一定的射弹发数后必须更换身管；对于大口径榴弹炮规定初速下降量达到一定的值即认为身管寿命终止。利用身管使用寿命定义身管寿命实际上往往达不到身管的使用极限状态即认为身管寿命已经终止，需要更换或报废，但是由于这种方法简便易行，因此，在部队中通常采用使用寿命来决定身管能否继续使用。

1.5 经济寿命 经济寿命是指火炮在使用一定程度以后，其维护、保养以及维修的费用与购置新炮的费用已经接近，此时认定寿命终止。为了便于管理，一般情况下，火炮大修次数一般不能超过三次，并以此作为火炮经济寿命的判别条件。实际上，火炮经济寿命与身管寿命之间没有实质性的关系，利用经济寿命报废的是火炮而不是身管。

2 火炮身管寿命预测技术发展

火炮的身管寿命问题是随着火炮性能（高温、高初速、高膛压）的不断提高而出现的。由于火炮身管寿命问题涉及到射击效力的发挥以及维修保障等火炮使用的各个环节，因此，随着火炮性能的不断提高引起的身管寿命问题的出现，各国专家学者纷纷对火炮身管寿命问题展开了深入的研究，时至今日，已经取得了一系列的研究成果，其发展历程大致可以分为三个阶段。

2.1 第一阶段（20 世纪90年代以前） 火炮火力性能的不断提高使得火炮射击时，火药和弹丸对身管内膛的烧蚀磨损加剧，进而引起了身管寿命问题。因此，随着火炮技术的不断发展，身管寿命问题已经逐渐成为限制火炮性能迅速发展的主要因素，大约到20世纪70年代以后，各国对于身管寿命问题的研究已经非常的重视。

这一时期各国对于已有的火炮身管寿命预测技术的优缺点进行了分析，确定了药室增长量判别法、初速下降量判别法以及射弹发数判别法等传统方法在进行火炮寿命判别时的局限性，并逐渐达成了火药和弹丸的烧蚀磨损作用是引起火炮射击时身管寿命下降的主要原因这一共识，因此就诞生了利用膛线径向磨损量对火炮身管寿命进行判别的方法。

研究人员认为，利用火炮膛线径向磨损量对身管寿命进行判别预测的理论，可以从炮弹道性能和火炮寿命两个方面进行解释。首先，从火炮弹道性能方面来说，火炮发射弹丸导致身管内膛扩大这一事实是可以通过相关装置进行观测到的，而身管内膛扩大会导致弹带挤进时与身管的配合部分存在一定的间隙，这会直接引起弹丸启动挤进压力以及最大膛压等的下降，进而导致弹丸出炮口初速下降，一旦身管内膛扩大到一定程度使得弹丸出炮口速度已经无法满足射击任务的要求，则可以判别身管已经报废。其次，从火炮寿命方面可以解释膛线径向磨损量判别法的合理性，事实证明膛线径向磨损量与与膛线深度之间是存在一定的关系的，随着径向磨损量的增加，膛线深度会逐渐减小，而膛线深度的减小会引起挤压应力的增加，当挤压应力上升到一定程度，就会出现弹带削光等表征身管寿命终止的现象，这就证明了膛线径向磨损量至少在一定的程度上是决定了火炮身管的寿命的。

基于以上两点的分析判断，膛线径向磨损量判别法提出以后，立即获得了各国专家学者的普遍认同，时至今日，径向磨损量判别法依旧被认为是目前为止最有效的判别身管寿命的方法。

2.2 第二阶段（20世纪90年代至07年） 确定了烧蚀磨损是身管寿命下降的主要机理并提出径向磨损量判别法这一身管寿命预测方法以后，各国对于身管寿命预测技术的研究重点纷纷转向对膛线径向磨损量这一能够明显表征身管寿命下降量的量值的测量技术的探索。经过不断的实践，我国逐渐确定将火炮内膛阳线起点径向磨损量作为身管寿命的判别标准，而西方国家则主要是把内膛阳线起点向炮口方向移动1英寸处的阳线径向磨损量作为身管寿命的判别标准。

同时，在这一时期，各国围绕身管寿命问题针对膛线径向磨损量进行了大量的试验测试，得出了火炮弹道性能的变化只与膛线径向磨损量变化的量值有关而与膛线径向磨损量变化过程无关的结论，这一结论使得身管寿命问题的研究得到了简化，即通过测量膛线径向磨损量就可以确定身管的寿命，因此，在这一时期，我国开发出了身管膛线径向磨损量测量装置，利用该装置可以在一定的程度上测量出膛线的磨损量。但是，大量的实践证明，身管径向磨损量测量装置在测量时存在一定的误差，其性能的改善还具有一定的发展空间。

这一阶段取得的另外一个重要的成果是，通过大量的试验确定了身管膛线径向磨损量的变化的主要原因是射击条件的变化，而且主要是射击条件中的装药量、药温、射击频率以及弹丸种类这四个因素。

2.3 第三阶段（07年至今） 经过专家学者的不断努力，在身管寿命问题研究发展的第二个阶段确定了身管径向磨损的主要原因在于装药量、弹种、药温以及射击频率以后，第三阶段对于身管寿命问题的研究逐渐转移到射击条件标准化研究这一方向上。其目的在于通过预测不同射击条件下身管径向磨损量的变化规律，建立非标准射击条件身管径向磨损量与标准射击条件下身管径向磨损量之间的等效关系，继而实现火炮在各种射击条件下身管寿命预测这一目标。

但是由于建立非标准条件下身管径向磨损量与标准条件下身管径向磨损量之间的等效关系需要大量的试验数据，射击条件标准化工作还没有完成。基于射击条件标准化工作需要耗费大量的物力财力，目前，研究人员已经将虚拟样机仿真技术以及模糊数学、神经网络等方法应用到射击条件标准化工作中去，相信很快这一工作就会取得实质性的进展。

3 火炮身管寿命动态预测技术

利用身管径向磨损量判别法对射击条件进行标准化以后，身管寿命的预测即可以通过分析判断射击条件来实现。因此，只要能够实现对各种影响火炮身管寿命的射弹信息的自动识别，就可以逐渐实现火炮身管寿命的动态预测，而随着传感器测试以及信号处理技术的不断发展，结合使用火炮虚拟样机技术以及神经网络等实现射弹信息的自动识别，开发火炮身管寿命动态预测技术已经成为可能。

3.1 火炮身管寿命动态预测技术的要求 目前关于火炮寿命预测判别的各种方法之所以没有获得普遍的推广应用，主要原因在于其在科学性、适应性以及可操作性方面都具有一定的缺陷，无法适应于火炮设计、生产以及使用维修、报废等全寿命过程中，因此新建立的火炮身管寿命动态预测技术必须具有以下的特点。

3.1.1 科学性 火炮身管寿命动态预测技术应充分运用前期专家学者在身管寿命问题上的研究成果，预测技术原理要科学，而预测方法应该是通过准确的表征火炮全寿命过程弹道诸元和寿命诸元，进而准确的预测出火炮身管寿命。

3.1.2 适用性 适用范围不广是目前各种身管寿命判别及预测方法无法获得普遍应用的主要原因，火炮身管寿命动态预测技术应该能够使用于加农炮、榴弹炮、舰炮、高炮、滑膛炮等各类火炮，而且应该能够应用于火炮设计、生产、使用以及维修等各个过程，在火炮的全寿命过程都能准确的预测判断身管寿命。

3.1.3 可操作性 设备复杂、操作困难、需要耗费大量人力是现有身管寿命判别及预测方法无法在基层作战部队进行推广的主要原因。因此，火炮身管寿命动态预测技术应该具有结构简单、坚固耐用、操作方便、经济性好的特点，在各种操作环境下都必须能够有效的对身管寿命进行预测，使火炮的寿命状态真正能够掌握在各级火炮使用人员手中[2]。

3.2 火炮身管寿命动态预测技术实现的关键 火炮身管寿命动态预测技术应该满足科学性、适应性以及可操作性这三个要求，前人研究的结果表明，装药量、药温、弹种和射击频率这四种射击条件是影响火炮身管寿命的最主要因素。因此在射击条件标准化工作即将完成的情况下，实现装药量、药温、弹种和射击频率的动态识别是实现火炮寿命动态预测技术的基础。

在传感器技术和数据处理方法迅速发展的今天，药温、射击频率的自动识别已经能够比较容易就能实现。例如南京理工大学已经成功开发出基于单片机的火炮装药温度实时测量装置，利用该装置可以准确的测量药温；而军械工程学院设计的射弹计数器，在一定程度上已经解决了射击频率的自动计算识别问题。同时，对于某一确定型号的火炮，其使用过程中使用的弹药种类基本上是确定的，例如榴弹炮主要以杀爆榴弹为主，滑膛炮主要以穿甲弹为主。因此，对于确定类型的火炮，其身管寿命动态预测技术的关键在于实现装药量的自动识别。

现役火炮火药装药结构可以分为药筒定装式火、药筒分装式、药包分装式以及模块装药式，对于身管寿命问题而言，药筒定装式火药装药结构不存在装药量变化的问题，而火炮采用药筒分装式、药包分装式以及模块装药式火药装药结构其主要原因在于火炮口径较大，药筒和弹丸无法实现一次性装填，因此采用了发射药和弹丸分开装填的办法，实际上，这三种装药结构的实质都在于通过改变装药的药包个数来改变装药量。对于大口径地面火炮而言，其装药结构为药筒分装式，射击时根据装药号的不同来实现装药量的改变，因此，综上所述，对于大口径地面火炮而言，其身管寿命动态预测技术实现的关键在于装药号的自动识别。

4 结束语

本文通过总结火炮身管寿命的定义和火炮身管寿命预测技术的发展历程，提出了火炮身管寿命动态预测技术，简述了火炮身管寿命动态预测技术应该满足的要求，确定了大口径地面火炮身管寿命动态预测技术实现的关键——装药号的自动识别技术。

参考文献：

[1]宋卫东，陶辰立．火炮身管剩余寿命评定方法探讨[J]．测试技术学报，2002（16）：163-168.

[2]刘海平，贾长治，赵建新．火炮身管质量评估方法探讨[J]．火炮发射与控制学报，2008（1）：10-14.

[3] Tang Liwei， Zhang Qingfeng， Wang We. Develop A New Type Apparatus for Measuring Inner Diameter of Gun Barrel Using Optical Grating Sensor[C]. The Eighth International Conference on Electronic Measurement and Instruments， 2007： 4934-4936.