高射速中口徑艦炮供彈動力技術分析與展望

彭松江，劉彥奇，梁 林，菅潤基

(1.鄭州機電工程研究所，河南 鄭州 450015；2.中國船舶國際工程有限公司，北京 100121)

0 引 言

艦炮是火炮在艦船武備中的重要分支，由于使用環境、使用方式、裝載平臺的差異，自動化火炮技術也最早在艦炮領域出現，其設計特點與陸軍火炮差異巨大，尤其是其強大的自動化供彈系統極具艦炮行業特征，支持著高性能艦炮自動機發射率、持續作戰能力的發揮[1]，而供彈動力技術直接關系到供彈系統與發射系統的匹配能力，是艦炮供彈技術的核心關鍵技術。近年來隨著作戰需求進一步提高，高射速中口徑艦炮對供彈動力供彈率等性能需求也隨之提升，因此開展供彈動力技術創新意義重大。

1 中口徑艦炮供彈動力技術現狀

現代艦炮供彈動力從動力源角度方式分為內能源、外能源2種方式，從供彈動力技術實現形式角度主要包括自動機統一動力、響應式間歇動力等。供彈動力技術的選擇往往與自動機發射率、自動方式、匹配方式密切相關，與自動機相得益彰的供彈動力技術支撐了艦炮裝備的迭代發展。

1.1 國內中口徑艦炮供彈動力現狀

我國目前中口徑艦炮供彈動力方式為響應式間歇動力，多采用機械式動力分配技術模式，供彈動力由電機提供，采用間歇式統一動力分配機械裝置，根據自動機需要采用自動機械離合方式對連續的動力進行間歇響應匹配，定位準確、可靠性高，設計上要求供彈率大于發射率，以保障可靠發射[2]。如某中口徑艦炮發射率120發/min，采用雙路交替供彈，單路供彈率大于65發/min，間歇供彈周期0.95 s；某大口徑艦炮也采用同樣途徑，單路供彈率達60發/min。

個別中口徑艦炮供彈動力由液壓馬達提供，如某艦炮供彈鏈路的壓彈機采用了液壓馬達間歇工作方式，由 “電磁鐵+行程閥控馬達”進行高頻動力分配，壓彈機部件間歇供彈率可大于230發/min；由于受電磁閥閥芯磨損、液壓油污染等影響，可靠性低于機械式動力分配方式。

早期的第1代大中口徑艦炮供彈動力裝置采用“電機+電磁離合器”方式進行間歇動力匹配，供彈率大于40發/min[3,4]；這種方式受電磁器件反應時間、功率限制，供彈率和使用范圍會受到一定限制，并且電磁離合器隨著使用磨損往往會出現定位不準問題[5]。

1.2 國外中口徑艦炮供彈動力現狀

俄羅斯中大口徑艦炮供彈動力均由電機提供，采用響應式間歇分配機械裝置，工作可靠，目前最新型的AK176M艦炮發射率為150發/min，單路供彈率路81發/min；A190E型單100艦炮發射率為80發/min，相比原AK100單管艦炮供彈率提高33%。小口艦炮供彈動力為于內能源自動機提供拖動動力。

歐美中口徑艦炮多采用間歇式電液伺服方式，如意大利OTO76的彈鼓、揚彈機、擺彈機、裝填盤、輸彈機動力均由液壓馬達提供，采用電液+機械換向閥控馬達動力分配裝置，工作可靠，OTO76艦炮上供彈率分別可達200發/min。瑞典40，57口徑艦炮均采用彈夾供彈，與多數小口徑陸軍火炮相同，供彈動力來自于內能源自動機動力和彈簧勢能，彈藥運動呈現高頻間歇規律，供彈率由自動機自動匹配，供彈率達220發/min。

1.3 綜合發展研判

不同于小口徑艦炮主要采用內能源或外能源自動機統一動力拖動方式，也不同于小口徑高炮產品采用的彈夾彈鼓彈簧動力和彈鏈拖動等，國內外大中口徑艦炮供彈系統仍以外能源響應式間歇式供彈動力為主流技術，以電力機械分配式和液壓閥控分配技術途徑為主，最新的中口徑艦炮供彈率又提升了25%～33%，并不斷向高速供彈方向攀升。

2 某高射速中口徑艦炮供彈動力技術需求分析

隨著無人集群目標和更高速攻擊目標的出現，對中口徑艦炮近程防空反導、多目標作戰能力提出了更高的作戰需求，從而對高發射率、射擊精度等提出來新的需求[6-7]。從提高發射率角度，小口徑火炮技術逐漸中口徑化，如成熟的轉管、轉膛等發射技術正在向中口徑火炮領域滲透[8]。相比而言，中口徑單管轉膛自動機比多管轉管自動機在總體和俯仰部分上存在較大優勢，但由于其供彈系統需要滿足周期小于0.2 s的間歇式單發啟停模式，以某高射速中口徑轉膛艦炮為例，供彈動力技術存在不可回避的技術途徑選擇難題，急需新的高可靠、高供彈率的供彈動力分配技術支撐。

2.1 內能源統一驅動工況分析

采用內能源統一驅動技術途徑，根據導氣式內能源自動機方案和供彈模擬負載形式建立動力學模型，由彈丸發射的膛內燃氣動力進行導氣引流驅動自動機轉膛體轉動，進而驅動供彈系統執行機構同步工作，分別以單自動機無負載、自動機帶滿載供彈方式進行動力學仿真分析，特定導氣結構下，仿真結果如圖1和表1所示。

圖1 某供彈系統動力學仿真曲線圖Fig.1 Dynamic simulation curve of a shell-feeding system

表1 某供彈系統動力仿真數據表Tab.1 Dynamic simulation date table of a shell-feeding system

由以上仿真結果可知，若采用自動機進行統一驅動供彈系統，理論發射率將下降約10%。

2.2 外能源間歇動力驅動工況分析

供彈系統若采用外能源響應式間歇驅動技術途徑，由電機或液壓馬達為供彈機構提供驅動力，與內能源轉膛自動機進行伺服匹配供彈，只能在自動機運動間隙0.07 s內進行供彈裝填，分別以滿載供彈方式進行數值仿真分析，仿真結果如圖2所示。

從圖可知，由于許用周期較短，供彈撥輪速度的變化范圍約在-20°～1 500°/s，加速度的變化范圍約在-42 300°～32 000°/s2。最大轉矩需 8 845 N·m，按常規方法選取轉速3 000轉/min的電機，功率為694 kW，在工程上來講功率過大，供彈功率將呈現指數級增長，對艦炮總體的適裝性極其不利，同時動力離合機構響應速度也難以符合需求，在工程化應用上困難較大。

圖2 某供彈系統數值仿真曲線圖Fig.2 Numerical simulation curve of a shell-feeding system

2.3 外能源外能源耦合驅動工況分析

在內能源統一驅動模式的基礎上，采用內能源統一驅動技術途徑驅動供彈系統執行機構同步工作的同時，對供彈執行機構采用外能源輔助形式進行耦合供彈，分別以輔助扭矩200，400，600，800 N·m進行帶滿載供彈動力學仿真分析，特定導氣結構下，仿真結果如圖3和表2所示。

圖3 外能源耦合驅動動力學仿真曲線圖Fig.3 Dynamic simulation curve of external energy coupling drive

表2 某供彈動力仿真數據表Tab.2 Dynamic simulation date table of a shell-feeding system

從圖表可知，內外能耦合供彈動力驅動模式下，輔助動力轉矩從小往大遞增時，自動機循環時間隨之減小，射速隨之上升，當輔助動力轉矩為600 N·m時，可保持發射率不下降，在工程上能夠更為接近目標實現，但此種模式在中口徑艦炮供彈系統上尚需創新突破。

3 高射速艦炮供彈動力技術展望

3.1 高速供彈動力技術始終是中口徑艦炮核心技術之一

從中口徑艦炮發展歷史上看，供彈動力分配方式直接決定著艦炮性能、可靠性的實現。傳統的電機+電磁離合器的動力分配方式，由于停位不準、沖擊過大限制了發射率這一最主要的作戰性能的提高；現代艦炮技術采用的響應式間歇供彈動力分配技術，動作可靠、運動快速、到位沖擊較小，為發射率的提高提供了可靠保障。但在新的作戰需求下，為了進一步提高發射率，需要供彈動力技術進行新的創新和突破，來支撐自動機發射率的提高，高速供彈動力技術依然是中口徑艦炮核心技術之一。

3.2 內外能耦合供彈動力技術將為提高發射率提供新的技術途徑

國內中口徑艦炮供彈動力以電力機械式動力分配、液壓閥控式供彈動力分配方式為主，可實現200發以上的供彈率均存在一定瓶頸。應結合基礎技術研究相關實驗室建設，開展內外能耦合的高速供彈動力技術研究，進一步豐富所掌握的動力分配技術途徑，進一步提高間歇式供彈率，支撐新一代高射速艦炮中口徑武器裝備的發展，同時也進一步豐富供彈動力技術的多樣性。