艦炮發射藥筒方案可行性分析

李 翔，魏 錦，李 偉，牛志鵬，李永輝，王 震

(中國船舶集團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任務的大口徑艦炮，采用彈丸和藥筒分裝式發射方式，藥筒形式與艦炮主要戰技指標密切相關，會從根本上影響艦炮性能、可靠性、適裝性等基本特性，艦炮總體設計之初，就要確定藥筒采用何種方案。國內外火炮發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。金屬藥筒應用最早、最為常見，一般用黃銅或鋼制成[1]；可燃藥筒技術突破于20 世紀60 年代初，一般由硝化纖維素、木質纖維、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出現，是為了解決可燃藥筒的閉氣和點火問題、使用帶底火的金屬藥筒底座與可燃筒體粘結而成。某型艦炮方案論證時，采用哪種形式的藥筒成為爭論的焦點。本文從射擊安全性、自動化揚供輸過程的匹配性、艦用環境適應性、勤務性和機構設計可靠性等方面進行充分分析、試驗和測試，最終確定某型艦炮的發射藥筒方案。

1 艦炮高射速、長連發的持續作戰需求

為了遂行多功能作戰任務，某型艦炮對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、發射裝藥質量增大和對身管更大的機械強度作用以及更強的熱作用[3]，發射過程中，身管膛壁吸收10%～20%的火藥燃氣熱量，身管溫升很快，尤其在發射率較高時，內膛溫度急劇升高并產生累積效果。

可燃藥筒筒體燃點相對較低。由相關試驗可知，可燃藥筒材料發火點在186 ℃～194 ℃范圍內變化，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2 min 不燃燒，但在艦炮全自動裝填過程中，外表面涂層會因機械接觸、摩擦等因素局部脫落，降低其耐溫性能，存在安全隱患。

圖1 發火點試驗Fig.1 Test for ignition point

表1 發火點試驗結果Tab.1 Test result for ignition point

對某型艦炮單發、5 連發和12 連發射擊時，藥室部的溫升進行計算，如圖2 所示。單發、5 連發和12 連發時身管內表面局部溫度變化，如圖3 所示。

由計算結果可以看出，在無身管冷卻條件下，按照最大射速射擊時，在第6 發射擊前，身管藥室部內壁局部最高溫度達到142 ℃；在13 發射擊前，身管藥室部內壁局部最高溫度達到320 ℃。

經上述分析，大口徑艦炮裝藥量大、膛壓高、射速快，連發射擊時內膛升溫快，藥室處的內表面溫度可達數百度，可燃藥筒入膛后與之接觸的內膛表面溫度有可能達到或超過其著火溫度，可燃藥筒入膛后存在安全風險。此外，可燃藥筒能否在膛內燃盡是一個極其重要的指標。若燃燒不完全，在藥室或膛內留有殘渣，不僅會增大彈丸的運動阻力，甚至會造成膛炸等嚴重事故[4]。

同時，為了簡化結構，全可燃藥筒發射時需采用激光點火系統，用激光器通過炮尾的光學（一般用藍寶石）窗口引入火藥，使之點火。激光點火原理如圖4 所示。

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

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 藥室部內表面溫度變化Fig.3 Temperature variation of inner surface of chamber

圖4 激光點火原理圖Fig.4 Schematic drawing of laser igniting

半可燃藥筒雖然沒有激光點火的問題，但同樣存在膛內意外點火的風險。

金屬藥筒可大大緩解發射過程中對藥室內壁的熱沖擊，尤其在火炮連續射擊時，由于藥筒處于與氣體接觸的溫度變化最激烈的區域，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。金屬藥筒會對裝藥起到一定的保護作用，冷的藥筒把熱的內膛壁面與發射藥隔開，緩解了發射藥所受的熱沖擊，能夠非常有效地阻止炮彈的發射藥因溫度過高而自燃[6]。同時，金屬藥筒所采用的點傳火技術更加成熟。因此，金屬藥筒的高安全性更加適合高射速、長連發的持續作戰需求

2 適應艦船搖擺、長通道揚供輸過程的要求

艦炮受海洋搖擺環境的影響，采用全自動供輸彈系統，供彈行程長、速度快、沖擊大、過載高，艦炮供輸彈過程需對彈藥進行全約束，在炮庫一體化和高發射率要求下，彈藥在揚供輸通道的轉運和交接不可避免的存在動態沖擊和機械接觸，同時揚彈通道中的安全聯鎖等機構將直接碰撞高速運動中的藥筒筒壁，都會對彈藥產生一定影響。

可燃藥筒存在燃盡性與強度間的矛盾，若提高藥筒的強度，則射擊后煙霧較多，留有殘渣，燃盡性較差。因此，需對可燃藥筒剛強度性能進行驗證，明確其對裝藥的安全性的影響。

2.1 可燃藥筒機械性能試驗

可燃藥筒拉伸、壓縮和跌落試驗及藥筒試驗后狀態，如圖5 所示。

試驗結果如表2～表5 所示。

由相關試驗可知，可燃藥筒抗拉強度在22 MPa 左右，遠低于金屬藥筒（≥200 MPa），同時半可燃藥筒在藥筒蓋和底座粘接處易發生損壞。

2.2 可燃藥筒供彈通道全流程試驗

圖5 可燃藥筒機械性能試驗Fig.5 Mechanical performance test of combustible case

在某型艦炮儲運系統樣機進行可燃藥筒供彈通道全流程試驗。在藥筒和常規彈進行供輸彈動作過程中，藥筒在與揚彈通道接觸后，表面受到一定程度的磨損，涂層脫落；同時在受到沖擊等作用后，藥筒由于筒體整體剛度較低而產生一定程度的變形，同時藥筒口部因強度不足而產生變形，如圖6 所示。

表2 拉伸試驗結果Tab.2 Tension test result

表5 1.6 m 跌落試驗結果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生變形，影響半可燃藥筒的整體強度；全可燃藥筒的剛度、強度都很低，無法承受供輸彈過程中產生的巨大沖擊力以及與安全聯鎖裝置的相互作用。可燃藥筒剛強度與揚供輸通道及其安全聯鎖裝置的匹配存在一定問題，將影響藥筒及發射裝藥的使用安全性和可靠性。

傳統艦炮裝藥采用的金屬藥筒裝藥技術，其結構剛度、強度和與艦炮揚供輸通道及其安全聯鎖裝置的匹配均經過實戰考核，技術成熟，性能可靠。在艦炮供輸彈過程中對藥筒產生的慣性力、碰撞力很大，金屬藥筒由于具有較高的剛強度，幾乎承受了來自外部所有的力，保證了內部發射藥的完整性及供輸彈過程機構動作的可靠性。因此，金屬藥筒的大剛強度更加適合大搖擺、長通道的揚供輸過程。

3 適合海洋“高溫、高濕和高鹽霧”環境的要求

艦炮處于高溫、高濕和高鹽霧的海洋環境。可燃藥筒由于其主要成分是硝化棉，具有較強的吸濕性，采用可燃藥筒的彈藥對儲存、勤務處理和使用過程中的安全性要求更高[7]。在儲存過程中，可燃筒體的化學性能受環境影響會發生變化，其含水量嚴重影響藥筒各項燃燒性能參數[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，就可能產生燃燒不完全并留有殘渣的現象，同時影響內彈道一致性。

3.1 環境適應性

根據相關試驗結果可知：

1）淋雨試驗，可燃藥筒在非包裝狀態下，淋雨一小時后，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，將可燃藥筒浸入水中，浸水深度1 m，持續30 min（目前最長持續時間為19 h），取出后測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定標準，能夠燃燒完全；

3）高濕試驗，在濕度90%的環境中，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過淋雨、浸水、高濕等試驗，能夠完全燃燒，但燃速降低對內彈道的影響尚不清楚，且其與海洋環境仍有很大的差別，海洋環境是否影響可燃藥筒的長期儲存還未進行可靠地試驗驗證，防火、防潮以及長期儲存性能低于金屬藥筒。

3.2 勤務性

射擊以后，火藥燃燒不可避免的會產生火藥殘渣等，采用可燃藥筒射擊后，將直接留在身管內膛表面，需要頻繁對藥室進行擦拭清潔，火藥殘渣等留膛會對后續發射安全性造成影響，火藥燃燒直接作用于藥室內壁會影響火炮身管壽命。同時射擊中出現瞎火彈情況時，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，已嵌膛的彈丸有可能掉落，藥筒應能承受掉落彈丸的沖擊。

金屬藥筒對海洋“三高”環境適應性好。采用金屬藥筒時，火藥燃燒后即使有火藥殘渣也會留在藥筒內部，隨火炮抽筒排殼后帶出炮膛，有利于藥室的清潔及保護。

4 全炮機構可靠性要求

4.1 抽筒、排殼機構

可燃藥筒雖免去了抽筒、排殼動作，但隨之帶來激光點火等技術不夠成熟的問題。采用金屬藥筒雖需抽筒、排殼等機構，但抽筒、排殼動作不占用整個自動循環時間，技術成熟，可靠性高。

4.2 火藥氣體密封機構

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

全可燃藥筒在火炮發射過程中需要增加一個可靠的炮膛密封結構來對火藥氣體進行有效密封，但在火炮密封技術上，關鍵密封件難以達到設計使用壽命要求[9]。目前常用的楔式炮閂加金屬環閉氣的閉氣手段，閉氣環使用壽命短，一旦有火藥殘渣留在閉氣環上，閉氣環的壽命就更低，軍貿大口徑火炮閉氣環實際壽命僅有三四十發。

4.3 溫度報警裝置

大口徑火炮在采用藥包或可燃藥筒裝藥時，為了避免當藥室溫度達到藥包或藥筒的自燃溫度而使發射裝藥點燃，增設了溫度報警裝置。監控火炮身管特別是藥室的溫度受到各國的重視，俄羅斯在其某型迫榴彈上就裝有溫度報警裝置，南非和英國等國在其某型自行炮上安裝了溫度報警裝置，我國某型自行火炮為適應國際市場要求也進行了身管溫度報警裝置的研制[10]。由此，在采用可燃藥筒裝藥時，膛內溫度過高仍繼續發射，會對發射安全性產生一定的影響，從而限制了火炮持續作戰能力[11]。而采用金屬藥筒時不需考慮該問題。

5 結 語

綜上，金屬藥筒的高安全性更加適合高射速、長連發的持續作戰需求，其剛強度更加適合搖擺、長通道的揚供輸過程，高環境適應性和勤務性更加適合“三高”的海洋環境，同時可使全炮機構設計更加可靠。某型艦炮應采用安全性、可靠性更高的金屬藥筒方案。