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(dāng)前新型武器發(fā)展很快，艙面裝備大量增加，為了提高全艦作戰(zhàn)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(fā)展。預(yù)計在今后相當(dāng)長的一段時間，大中口徑艦炮仍將是各國海軍水面戰(zhàn)艦的主要武器之一，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中仍然發(fā)揮著積極的作用。為達(dá)到適裝性、適用性的要求，緊湊化、輕量化已成為艦炮發(fā)展的潮流。美軍寧可舍棄重量太重，但最大發(fā)射率為34發(fā)/min及最大供彈率可達(dá)40發(fā)/min的MK42，而選擇發(fā)射率只有20發(fā)/min，但重量較輕、自動化程度較高的MK45，就是例證之一。

國內(nèi)在艦炮研制過程中也嚴(yán)格遵循緊湊化、輕量化等先進設(shè)計思想，在艦炮總體架構(gòu)乃至零部件級別等各方面都進行了輕量化設(shè)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(zhàn)技指標(biāo)或參數(shù)與冷卻方式的相關(guān)性，論述是否應(yīng)該像中小口徑艦炮那樣采用水冷方案的必要性，為發(fā)射系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)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(shù)及設(shè)計怎樣的冷卻裝置，以達(dá)到冷卻效果最優(yōu)且結(jié)構(gòu)最輕的目標(biāo)。

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(zhàn)技指標(biāo)與冷卻方案

典型大中口徑艦炮見表1。

1)以蘇聯(lián)/俄羅斯為代表的國家研制的艦炮，射速較高，持續(xù)射擊能力強。如AK－176M型單管76 mm艦炮 (簡稱AK－176M)，射速達(dá)120～130發(fā)/min，可在不進行補彈條件下，持續(xù)射擊2個彈鼓中152發(fā)炮彈，并可實現(xiàn)更換彈種。AK－130型雙聯(lián)裝130 mm艦炮 (簡稱AK－130)，射速為30×2發(fā)/min，彈鼓儲彈量為60×3發(fā)。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(fā)生產(chǎn)，但由于各國國情與對艦炮認(rèn)知以及設(shè)計思想的不同，艦炮發(fā)展各具特色。

美國 MK45－1型單管127 mm艦炮 (簡稱MK45－1)，射速20發(fā)/min(制導(dǎo)炮彈10發(fā)/min)，彈鼓儲彈量為20發(fā)，重量輕，適裝性好，但射速不高，持續(xù)射擊能力不強，沒有冷卻裝置。美國155 mm艦炮(AGS)射速10～12發(fā)/min，主彈庫可攜帶約300發(fā)炮彈，DD(X)艦還有一個可攜帶約320發(fā)炮彈的輔助彈庫。為了保證持續(xù)發(fā)射彈庫中的炮彈，并保證身管壽命達(dá)到3000發(fā)，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(fā)/min(±5%)，射速可調(diào) (10、20、40、60、最大，可調(diào))，彈鼓儲彈量從MM1型的59發(fā)增加到80發(fā)，并可根據(jù)用戶要求選用 (44發(fā)、80發(fā)、115發(fā))等結(jié)構(gòu)?？焖傩蛦喂?6 mm艦炮射速更高，可達(dá)120發(fā)/min。OTO緊湊型單管127 mm艦炮，射速為 40發(fā)/min(單，10，20，30，最大，可調(diào))。彈鼓儲彈量為22×3發(fā)。這類艦炮射速較高，持續(xù)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(fā)/min，配備儲彈量為35發(fā)的人工補彈系統(tǒng)，不可更換彈種。緊湊 (MK1)型單管100 mm艦炮，射速為90發(fā)/min(10，40，90，可調(diào))，最大供補彈率與射速同步。彈庫無人操作時，一次發(fā)射最多彈藥為114發(fā)。這類艦炮射速較高，甚至被當(dāng)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(huán)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(dá)3000發(fā)。

英國MK8型114 mm艦炮，射速為25發(fā)/min，供彈系統(tǒng)中轉(zhuǎn)彈盤容納14發(fā)彈。射速低，儲彈量少，持續(xù)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(nèi)殘留的火藥氣體與殘渣。

1.2 戰(zhàn)技指標(biāo)等參量與冷卻方式相關(guān)性分析

1.2.1 發(fā)射藥特性

發(fā)射藥的爆溫對身管發(fā)熱起主導(dǎo)作用，一般發(fā)射藥的爆溫在2500～3700 K，減小身管發(fā)熱較為有效的辦法是研制高能、低溫發(fā)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(dá)5000發(fā)。

1.2.2 炮管結(jié)構(gòu)、材料及質(zhì)量分布

用較高熱強度的材料制造炮管時，高溫高壓區(qū)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(zhì)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(jié)論為:有效的炮管壽命是正常工作溫度及炮管內(nèi)溫度分布的函數(shù)，而溫度分布是炮管質(zhì)量分布及射速的函數(shù)。

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

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

上述射擊方式均為各國艦炮資料注明的標(biāo)準(zhǔn)射擊方式，當(dāng)然在緊急情況下，應(yīng)該是以突擊射速方式射完最大彈藥數(shù)，達(dá)到最大毀傷概率。

1.2.4 射速與持續(xù)射擊能力

艦炮的射速 (發(fā)射率)主要取決于發(fā)射系統(tǒng)自動循環(huán)速率，供補彈系統(tǒng)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(xù)射擊能力指在不進行補彈的條件下，持續(xù)自動射擊的最大彈藥數(shù)，包括更換彈種。制約持續(xù)射擊能力的最主要因素為供補彈系統(tǒng)的自動化程度與彈庫儲彈量。

對于俄式艦炮，供補彈系統(tǒng)大都采用分段供彈方式，即首先由彈庫向隨艦炮一起聯(lián)動的彈鼓進行供彈，然后再由彈鼓向發(fā)射系統(tǒng)供彈，優(yōu)點是射速較高，缺點是艦炮回轉(zhuǎn)慣量較大，補彈需人工干預(yù)，自動化程度不高，戰(zhàn)斗期間不能使持續(xù)打擊能力得到充分發(fā)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(tǒng)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(tǒng)，持續(xù)射擊能力能得到極大發(fā)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(xù)射擊能力。

射速是一個非常重要的戰(zhàn)技指標(biāo)，在較高的射速與持續(xù)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(xù)射擊能力是決定身管內(nèi)膛尖峰溫度極為重要的因素，影響到身管在高熱狀態(tài)下的熱力學(xué)特性。因此，需要在綜合考慮射速與持續(xù)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(huán)循環(huán)水冷與開放式水冷。閉環(huán)循環(huán)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(huán)水外冷以及內(nèi)冷。外冷為冷卻身管外表面。內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)部的內(nèi)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(nèi)部冷卻結(jié)合的混合冷卻方式。大多數(shù)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(huán)循環(huán)水冷方式。合理選擇冷卻水壓力或流量還可達(dá)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(nèi)膛的高溫燃?xì)馔ㄟ^導(dǎo)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(nèi)膛吹氣，研究表明也能改善散熱效果。對于射速不高且持續(xù)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(shù)內(nèi)容及目標(biāo)

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(zhàn)技指標(biāo)或參數(shù)進行仿真與模擬，主要仿真與模擬內(nèi)容如下:

1)多彈種兼容發(fā)射情況下彈藥特性

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

2)循環(huán)閉環(huán)水冷及內(nèi)冷 (向內(nèi)膛噴水)

分析多彈種兼容發(fā)射情況下身管外冷與內(nèi)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(fā)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(jié)構(gòu)及質(zhì)量分布

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

5)射速及持續(xù)射擊能力

分析多彈種兼容發(fā)射情況下，不同射速與持續(xù)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(zhì)材料)

模擬持續(xù)射擊時冷卻裝置結(jié)構(gòu)的熱力學(xué)特性以及在艦炮高速跟蹤瞄準(zhǔn)過程中冷卻水離心力和慣性力作用下不同材質(zhì)冷卻裝置結(jié)構(gòu)極限強度可靠性，探討冷卻裝置輕量化設(shè)計的可行性。

1.3.2 各參量仿真結(jié)果

主要對1.3.1節(jié)所述的各種情況進行模擬，為節(jié)省篇幅，僅列出部分結(jié)果，見圖1～圖6，其他大量的分析數(shù)據(jù)，可參考文獻(xiàn) ［2］～ ［7］:

圖2 常規(guī)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(yīng)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(shù)值模擬Tab.2 Simulation of cooling time of cooling scheme

1.3.3 結(jié)果分析與結(jié)論

根據(jù)仿真與研究，主要結(jié)論與現(xiàn)象概述如下:

1)射擊時發(fā)射藥是最主要的熱源，發(fā)射藥的爆溫對身管發(fā)熱起主導(dǎo)作用，在多彈種兼容發(fā)射情況下，發(fā)射藥爆溫越高，身管發(fā)熱越高，為了減小身管發(fā)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(nèi)冷”方式向膛內(nèi)噴水比循環(huán)水冷卻外表面效果要好。但內(nèi)冷造成身管急冷急熱，引起熱力學(xué)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(tǒng)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(fā)射系統(tǒng)耳軸前部的重量，危害極大。

4)首發(fā)點射結(jié)束時刻，熱量僅僅波及至極薄的鍍鉻層附近區(qū)域，清楚地體現(xiàn)了強瞬態(tài)熱傳導(dǎo)的熱波效應(yīng)。如某艦炮以最高射速進行一組最大長連發(fā)彈藥射擊后，身管仍未達(dá)到熱平衡狀態(tài)。說明對于射速較低且持續(xù)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(xù)射擊能力與戰(zhàn)時對目標(biāo)的毀傷概率。在制定射擊規(guī)范時，參照毀傷概率指標(biāo)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(yīng)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(yīng)力遠(yuǎn)大于膛壓作用時的應(yīng)力，材料在循環(huán)的熱應(yīng)力作用下將產(chǎn)生熱應(yīng)變循環(huán)，可能導(dǎo)致身管內(nèi)壁鍍鉻層產(chǎn)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(xù)射擊能力引起的身管熱力學(xué)效應(yīng)。

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(jié)構(gòu) (如冷卻裝置)受到約束時，在熱作用下熱應(yīng)力－應(yīng)變急劇增加，最理想的狀態(tài)是身管外壁無約束或者改善結(jié)構(gòu)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(zhǔn)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(zhì)或者復(fù)合材料制造冷卻水套時，需要引起設(shè)計者的注意。

2 大中口徑艦炮冷卻方案制定機理總結(jié)

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(xù)射擊能力制約，特別是受供補彈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、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(zhàn)斗補給彈藥。對于某些射速不高、持續(xù)射擊能力不強的艦炮，為了優(yōu)化總體結(jié)構(gòu)，取消了水冷卻裝置。

在強調(diào)艦炮具有較高的發(fā)射率和持續(xù)射擊能力的設(shè)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(zhàn)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(fā)射平臺，研究遠(yuǎn)程精確攻擊制導(dǎo)炮彈等信息化彈藥以適應(yīng)大中口徑艦炮向精確、遠(yuǎn)程、高效等方向迅速發(fā)展的時代需要，未來艦炮的射程越來越遠(yuǎn)，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(xiàn)代化大中口徑艦炮具有遠(yuǎn)程精確打擊能力和具有持續(xù)火力支援能力 (持續(xù)射擊能力)，在這方面，美國AGS代表了大口徑艦炮的這種發(fā)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(shè)計理念與發(fā)展目標(biāo)各異，但從相關(guān)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(zhàn)技指標(biāo)或眾多內(nèi)在參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)有關(guān)。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(xù)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(fù)面影響因素是很顯著的。射速較高、持續(xù)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(xù)射擊能力很高的艦炮，如美國AGS也采用了水冷裝置。

3 結(jié)語

為因應(yīng)大中口徑艦炮輕量化發(fā)展目標(biāo)，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(jié)合的方法，分析各種參數(shù)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(jù)，為艦炮冷卻方案制定、冷卻裝置與發(fā)射系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計提供理論支持。

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