大中口徑艦炮冷卻裝置與冷卻方案制定機理

游仁華

(中國船舶重工集團公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015)

0 引言

當前新型武器發展很快，艙面裝備大量增加，為了提高全艦作戰能力，必須使各種武器裝備縮小體積、減輕重量，向小型化、輕型化方向發展。預計在今后相當長的一段時間，大中口徑艦炮仍將是各國海軍水面戰艦的主要武器之一，在現代戰爭中仍然發揮著積極的作用。為達到適裝性、適用性的要求，緊湊化、輕量化已成為艦炮發展的潮流。美軍寧可舍棄重量太重，但最大發射率為34發/min及最大供彈率可達40發/min的MK42，而選擇發射率只有20發/min，但重量較輕、自動化程度較高的MK45，就是例證之一。

國內在艦炮研制過程中也嚴格遵循緊湊化、輕量化等先進設計思想，在艦炮總體架構乃至零部件級別等各方面都進行了輕量化設計。本文主要對典型大中口徑艦炮冷卻裝置與方案制定機理進行研究:一方面，著重介紹大口徑艦炮戰技指標或參數與冷卻方式的相關性，論述是否應該像中小口徑艦炮那樣采用水冷方案的必要性，為發射系統總體結構輕量化設計提供參考。另一方面，探索在大中口徑艦炮采取水冷方案的情況下，選取怎樣的冷卻參數及設計怎樣的冷卻裝置，以達到冷卻效果最優且結構最輕的目標。

1 大中口徑艦炮冷卻裝置與方案制定機理

1.1 大中口徑艦炮主要戰技指標與冷卻方案

典型大中口徑艦炮見表1。

1)以蘇聯/俄羅斯為代表的國家研制的艦炮，射速較高，持續射擊能力強。如AK－176M型單管76 mm艦炮 (簡稱AK－176M)，射速達120～130發/min，可在不進行補彈條件下，持續射擊2個彈鼓中152發炮彈，并可實現更換彈種。AK－130型雙聯裝130 mm艦炮 (簡稱AK－130)，射速為30×2發/min，彈鼓儲彈量為60×3發。為提高身管壽命，這類艦炮均采用冷卻裝置。

2)美國、歐盟等西方國家是海軍強國，又有多國從事艦炮研發生產，但由于各國國情與對艦炮認知以及設計思想的不同，艦炮發展各具特色。

美國 MK45－1型單管127 mm艦炮 (簡稱MK45－1)，射速20發/min(制導炮彈10發/min)，彈鼓儲彈量為20發，重量輕，適裝性好，但射速不高，持續射擊能力不強，沒有冷卻裝置。美國155 mm艦炮(AGS)射速10～12發/min，主彈庫可攜帶約300發炮彈，DD(X)艦還有一個可攜帶約320發炮彈的輔助彈庫。為了保證持續發射彈庫中的炮彈，并保證身管壽命達到3000發，首次在155 mm口徑火炮上采用了冷卻裝置。

意大利OTO緊湊型單管76 mm艦炮，射速為80發/min(±5%)，射速可調 (10、20、40、60、最大，可調)，彈鼓儲彈量從MM1型的59發增加到80發，并可根據用戶要求選用 (44發、80發、115發)等結構。快速型單管76 mm艦炮射速更高，可達120發/min。OTO緊湊型單管127 mm艦炮，射速為 40發/min(單，10，20，30，最大，可調)。彈鼓儲彈量為22×3發。這類艦炮射速較高，持續射擊能力相對較強，也都采用了冷卻裝置。

法國68型單管100 mm艦炮，射速60發/min，配備儲彈量為35發的人工補彈系統，不可更換彈種。緊湊 (MK1)型單管100 mm艦炮，射速為90發/min(10，40，90，可調)，最大供補彈率與射速同步。彈庫無人操作時，一次發射最多彈藥為114發。這類艦炮射速較高，甚至被當作防空炮使用，均采用冷卻裝置。此外，MK1型為了提高冷卻效果，有1套淡水冷卻器，對循環淡水再用海水二次冷卻，使冷卻速度提高了約4倍，由于該措施，身管壽命可達3000發。

英國MK8型114 mm艦炮，射速為25發/min，供彈系統中轉彈盤容納14發彈。射速低，儲彈量少，持續射擊能力不高，為減輕重量，去掉冷卻裝置。不過，身管中部仍有抽氣裝置，用于清除射擊過程中膛內殘留的火藥氣體與殘渣。

1.2 戰技指標等參量與冷卻方式相關性分析

1.2.1 發射藥特性

發射藥的爆溫對身管發熱起主導作用，一般發射藥的爆溫在2500～3700 K，減小身管發熱較為有效的辦法是研制高能、低溫發射藥。英國MK8型114 mm艦炮在無冷卻裝置情況下，如果采用“冷火藥”，身管壽命可達5000發。

1.2.2 炮管結構、材料及質量分布

用較高熱強度的材料制造炮管時，高溫高壓區的燒蝕有所緩解、壽命有所提高，但制作炮管的材料不僅需要熱強度，還需要一定的韌性及耐磨性。炮管質量分布情況也影響著炮管的溫升和壽命，美國Rodman研究所得出的結論為:有效的炮管壽命是正常工作溫度及炮管內溫度分布的函數，而溫度分布是炮管質量分布及射速的函數。

1.2.3 射擊方式

幾種典型艦炮的射擊方式如下:

法國68型100 mm艦炮射擊方式:①45發連射;②23 s內射擊24發;③連射18發、間隔18 s、共射90發;④連射9發、間隔10 s、共射90發。緊湊(MK1)型100 mm艦炮射擊方式:①10 s射擊24發;②連射18發、間隔17 s、共射90發;③連射10發、間隔6 s、共射90發。

俄AK－176M艦炮射擊方式 (持續射擊彈數):①以最大射速時，發射60～70發，停射5～10 s，繼續發射60～70發;② 以單發3～10發短點射和10～30發長點射，射完彈鼓中彈藥基數;③沒有水冷連射不能超過50發，以后自然冷卻2 h，或在1 h內以總數不超過50發的任何彈數組射擊。

上述射擊方式均為各國艦炮資料注明的標準射擊方式，當然在緊急情況下，應該是以突擊射速方式射完最大彈藥數，達到最大毀傷概率。

1.2.4 射速與持續射擊能力

艦炮的射速 (發射率)主要取決于發射系統自動循環速率，供補彈系統供彈速率 (裝填速度)與身管的熱容量等最主要的三大因素。

持續射擊能力指在不進行補彈的條件下，持續自動射擊的最大彈藥數，包括更換彈種。制約持續射擊能力的最主要因素為供補彈系統的自動化程度與彈庫儲彈量。

對于俄式艦炮，供補彈系統大都采用分段供彈方式，即首先由彈庫向隨艦炮一起聯動的彈鼓進行供彈，然后再由彈鼓向發射系統供彈，優點是射速較高，缺點是艦炮回轉慣量較大，補彈需人工干預，自動化程度不高，戰斗期間不能使持續打擊能力得到充分發揮，削弱了武器性能，但這類艦炮顯著特點是彈鼓儲彈量較多，不同程度彌補了其缺點。歐美等西方國家艦炮供補彈系統常采用揚供輸一體化中心揚彈方式，缺點是供補彈路線長，射速不太高，但這類艦炮輔之以全自動化供補彈系統，持續射擊能力能得到極大發揮。比如美國AGS盡管射速不高，但因為其獨具特色的自動化彈庫，具有很強的持續射擊能力。

射速是一個非常重要的戰技指標，在較高的射速與持續射擊能力情況下，可以提高射擊火力密集度和毀傷概率。然而，艦炮的射速與持續射擊能力是決定身管內膛尖峰溫度極為重要的因素，影響到身管在高熱狀態下的熱力學特性。因此，需要在綜合考慮射速與持續射擊能力等因素的情況下，來決定采用怎樣的冷卻方案。

1.2.5 冷卻方式

1)水冷方式

按冷卻水流向分為閉環循環水冷與開放式水冷。閉環循環水冷為身管水冷套將冷卻水回流。開放式水冷為冷卻水直接排放至甲板。

按冷卻身管表面，還可以分為循環水外冷以及內冷。外冷為冷卻身管外表面。內冷為向炮膛噴射冷卻水霧，如法國緊湊 (MK1)型100 mm艦炮就可向炮膛內噴射水霧降溫以提高冷卻效果。按冷卻裝置位于身管的不同位置可分為:內部冷卻、層間冷卻、外部冷卻及混合冷卻。例如:英國AS90身管采用冷卻裝置位于身管內部的內部冷卻方式。瑞典“博福斯”57 mm自動高射炮采用的是層間冷卻方式。俄羅斯270H自動機采用的就是外部冷卻和內部冷卻結合的混合冷卻方式。大多數艦炮采用的是身管壁包裹冷卻水套用以冷卻身管外表面的閉環循環水冷方式。合理選擇冷卻水壓力或流量還可達到冷卻效率與動力的最佳匹配，如意大利OTO快速型76 mm艦炮為提高冷卻效率，從70 L/min提高到80～120 L/min。

2)空冷方式

自然冷卻 (空冷)的傳熱途徑是身管內膛的高溫燃氣通過導熱、對流、輻射等方式將熱量傳向身管，再由身管傳至周圍空氣，冷卻效果較低，高射速時不能及時散熱。強制空冷為強制向內膛吹氣，研究表明也能改善散熱效果。對于射速不高且持續射擊能力不強的艦炮，如英國MK8型艦炮等采用的是自然冷卻 (空冷)方式。

1.3 影響冷卻效果的各參量仿真計算

1.3.1 仿真參數內容及目標

以某艦炮為研究對象，建立各種冷卻方案的仿真模型，對各種射擊方式、戰技指標或參數進行仿真與模擬，主要仿真與模擬內容如下:

1)多彈種兼容發射情況下彈藥特性

進行多彈種兼容發射情況下不同彈藥引起的膛內流場、冷卻水套流場與身管流固耦合場數值模擬，分析兼容發射情況下不同彈種發射藥燃燒特性、冷卻水冷卻特性及身管熱力學特性。

2)循環閉環水冷及內冷 (向內膛噴水)

分析多彈種兼容發射情況下身管外冷與內冷等不同冷卻方式情況下的冷卻效果。

3)空冷及吹氣 (強制空冷)

分析多彈種兼容發射情況下自然空氣冷卻與強制吹氣冷卻等情況下的冷卻效果。

4)身管結構及質量分布

分析身管結構、身管長 (不同口徑倍數)、外部約束與身管質量分布對冷卻效果的影響。

5)射速及持續射擊能力

分析多彈種兼容發射情況下，不同射速與持續射擊能力對冷卻效果的影響。

6)冷卻裝置材料特性 (鋼與輕質材料)

模擬持續射擊時冷卻裝置結構的熱力學特性以及在艦炮高速跟蹤瞄準過程中冷卻水離心力和慣性力作用下不同材質冷卻裝置結構極限強度可靠性，探討冷卻裝置輕量化設計的可行性。

1.3.2 各參量仿真結果

主要對1.3.1節所述的各種情況進行模擬，為節省篇幅，僅列出部分結果，見圖1～圖6，其他大量的分析數據，可參考文獻 ［2］～ ［7］:

圖2 常規彈溫升 (水冷)Fig.2 Temperature by routine ammunition(air-cooling)

圖3 特種彈溫升 (空冷)Fig.3 Temperature by special(water-cooling)

圖5 流固耦合等效應力Fig.5 Von Mises stress in the fluid-solid coupling field

圖6 熱平衡變化趨勢Fig.6 Changing trend of thermal equilibrium

表2 冷卻方案冷卻時間數值模擬Tab.2 Simulation of cooling time of cooling scheme

1.3.3 結果分析與結論

根據仿真與研究，主要結論與現象概述如下:

1)射擊時發射藥是最主要的熱源，發射藥的爆溫對身管發熱起主導作用，在多彈種兼容發射情況下，發射藥爆溫越高，身管發熱越高，為了減小身管發熱，較為有效的辦法是減小身管的熱輸入。

2)單從冷卻效果看，采用“內冷”方式向膛內噴水比循環水冷卻外表面效果要好。但內冷造成身管急冷急熱，引起熱力學沖擊的破壞作用。

3)身管壁厚對冷卻效果有影響，在身管外壁有凸臺之處，溫度變化趨勢表明傳統上采用增加壁厚這種方法來削弱熱作用是正確的，但效果不顯著，且增大發射系統耳軸前部的重量，危害極大。

4)首發點射結束時刻，熱量僅僅波及至極薄的鍍鉻層附近區域，清楚地體現了強瞬態熱傳導的熱波效應。如某艦炮以最高射速進行一組最大長連發彈藥射擊后，身管仍未達到熱平衡狀態。說明對于射速較低且持續射擊能力不強的艦炮，采用海水冷卻，效果并不明顯。

5)增大點射或者連射之間的間隔時間，有利于身管的冷卻，但這勢必降低持續射擊能力與戰時對目標的毀傷概率。在制定射擊規范時，參照毀傷概率指標要求，盡量采用一個較為合理的點射、連射組合進行射擊，并且相應采用一定的間歇時間，如參照表2的快速溫降間隔時間t1。

6)對于射速較高與射擊能力較強的艦炮來說，熱沖擊應力遠大于膛壓作用時的應力，材料在循環的熱應力作用下將產生熱應變循環，可能導致身管內壁鍍鉻層產生裂紋及裂紋擴展，甚至剝落。對于速射艦炮需要綜合考慮射速與持續射擊能力引起的身管熱力學效應。

7)熱作用對身管外壁約束比較敏感，身管外壁因為安裝有其他結構 (如冷卻裝置)受到約束時，在熱作用下熱應力－應變急劇增加，最理想的狀態是身管外壁無約束或者改善結構的約束分布。

8)對于高射速與較高射擊能力的艦炮，增加冷卻水壓力或流量，的確能較大幅度改善冷卻效果。

9)高速跟蹤瞄準時冷卻水的離心力與慣性力對水套危害不小，對于計劃選擇輕質或者復合材料制造冷卻水套時，需要引起設計者的注意。

2 大中口徑艦炮冷卻方案制定機理總結

從上述理論分析與仿真計算可以看出，大部分大中口徑艦炮，由于受持續射擊能力制約，特別是受供補彈系統結構、供彈方式及供補彈路線的制約，就算在緊急情況下，采用突擊射速提高毀傷概率，大部分艦炮的高射速也只能維持1～2min左右。這些艦炮炮彈射完后就只能維持較低射速 (人工或半自動補彈)，或者撤出戰斗補給彈藥。對于某些射速不高、持續射擊能力不強的艦炮，為了優化總體結構，取消了水冷卻裝置。

在強調艦炮具有較高的發射率和持續射擊能力的設計理念下，為了抑制身管“過熱”，提高身管壽命，典型大中口徑艦炮通常都裝有水冷裝置，如俄羅斯、法國以及意大利等國家的艦炮。

隨著大中口徑艦炮在未來海戰中的作用和地位不斷變化，歐美國家都集中在以大中口徑艦炮為發射平臺，研究遠程精確攻擊制導炮彈等信息化彈藥以適應大中口徑艦炮向精確、遠程、高效等方向迅速發展的時代需要，未來艦炮的射程越來越遠，對突擊射速的要求不像以前那樣高，而對精度的追求卻有增無減，要求現代化大中口徑艦炮具有遠程精確打擊能力和具有持續火力支援能力 (持續射擊能力)，在這方面，美國AGS代表了大口徑艦炮的這種發展思路，對于這類艦炮通常需采用冷卻裝置以提高身管使用壽命。

綜上所述，盡管各國艦炮設計理念與發展目標各異，但從相關國家各型艦炮冷卻方案的制定機理情況來看，始終與特定艦炮的戰技指標或眾多內在參數優化目標有關。比如，某些大中口徑艦炮相對于小口徑艦炮來說，射速以及持續射擊能力均不高，沒水冷裝置似乎影響不大，如英MK8型114 mm艦炮與美國MK45－1型127 mm艦炮等都取消了冷卻裝置，畢竟冷卻水套的負面影響因素是很顯著的。射速較高、持續射擊能力相對較強的艦炮，如俄羅斯、法國與意大利等國家艦炮均采用了水冷裝置。對于射速較低而持續射擊能力很高的艦炮，如美國AGS也采用了水冷裝置。

3 結語

為因應大中口徑艦炮輕量化發展目標，提高適裝性、適用性要求，我們對艦炮輕量化進行了大量的探討研究，本文以理論對比分析與計算機仿真模擬相結合的方法，分析各種參數與因素對冷卻效果的影響，探索大中口徑艦炮冷卻方案制定機理與依據，為艦炮冷卻方案制定、冷卻裝置與發射系統總體結構輕量化設計提供理論支持。

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