楊 峰， 張 健， 郭策安

(沈陽理工大學 裝備學院，沈陽 110159)

1 引 言

2 漸變截面膛線概念及內彈道基本參數結構模型

身管膛線根據纏角沿炮膛軸線變化規(guī)律的不同，可分為等齊膛線、漸速膛線和混合膛線三種；根據膛線深度和口徑的比值不同，可將膛線分為淺膛線和深膛線兩種；根據膛線截面形狀的不同，可分為矩形膛線、梯形膛線、弧形膛線和多邊形膛線等[6]。本文提出的漸變截面膛線是不同于現有膛線的結構形式，這種膛線結構在同一截面位置上，截面形狀不發(fā)生變化，每條線槽在同一截面上尺寸形狀一致，但在不同的截面位置，線槽形狀和尺寸逐漸發(fā)生變化，沿著纏角每條線槽的尺寸從炮口向藥室方向，深度逐漸加深，寬度逐漸加寬。這種結構的膛線能更有效地密閉火藥燃氣，提高彈丸初速，減少彈丸膛內章動和提高火炮的射擊精度，減小膛線應力集中，并提升炮管壽命。

在不降低火炮內彈道基本性能的前提下，對身管膛線進行截面漸變結構設計，形成陰線寬度和深度在身管內膛自膛線起始點至炮口方向逐漸變化，寬度由寬變窄(陽線寬度由窄變寬)，深度由深變淺，陰線底部同兩個側壁相交的圓角向炮口方向逐漸變小，陰線兩側壁傾斜角度由大變小。這種膛線在炮膛起始處導轉側壁傾斜角度較大，至炮口處角度逐漸減小到直角，陰線深度從炮膛至炮口逐漸減小，陰線寬度的變化與陰線深度和導轉側壁傾角匹配，實現膛線結構截面漸變。

這種膛線有利于彌補彈帶磨損后形成的間隙，有利于減少膛線根部應力集中，減少彈丸彈帶對膛線的沖擊和磨損，增強銅彈帶的擠入能力，提高火藥燃燒氣體的密封性能，有效提升彈帶的閉氣性能，減小膛線倒轉側壁所受的剪切力，形成漸緊式的效果，使得彈丸在膛內運行平穩(wěn)，減少章動，在提高射擊密集度、保證射擊精度的同時，有利于身管壽命的提高。

從內彈道角度和膛內發(fā)射過程理論進行分析，本文重點針對大口徑等截面與漸變截面膛線結構引起的遠射程殺爆彈藥情況下的彈帶擠進阻力、彈丸導轉側向力、摩擦力和彈帶閉氣間隙等進行計算，比較分析漸變截面膛線結構相對等截面膛線結構在這四個方面的變化情況，進而說明其對身管壽命和射擊精度的影響。

早期中立評估制度是在美國特定的時代背景和訴訟體制下產生的，照搬移植并不一定可取，但是，通過對民事審前程序在定位、主體、價值和效力上的改造，以發(fā)揮其二元性價值(即訴訟準備和糾紛解決的雙重價值)則對我國的民事審前程序改革極具借鑒意義。

2.1 內彈道參數

某型大口徑火炮身管發(fā)射遠程殺爆彈藥時彈底壓力行程曲線如圖1所示。本文研究的漸變截面膛線參數列入表1，彈底壓力曲線為計算依據，如圖1所示。

表1 計算參數

圖1 彈底壓力曲線

2.2 漸變截面膛線結構參數

火炮身管與藥室結構分別如圖2和圖3所示。膛線內彈道截面如圖4所示。線槽條數為n，螺旋升角為α，內徑為D1，沿螺旋升角方向保持不變，外徑為D2，沿螺旋升角方向變化至D2′。

2.3 彈丸參數

彈丸質量為mq，彈丸轉動慣量為J，彈丸彈帶局部結構如圖5所示。

圖2 火炮身管結構

圖3 火炮藥室結構

圖4 膛線內彈道截面

圖5 彈丸彈帶局部結構

表2 內膛結構參數

3 彈丸彈帶擠進阻力計算對比分析

3.1 計算模型

為了精確求取擠進阻力，必須把擠進過程涉及的相關因素，包括彈帶材料性能、彈丸-炮膛幾何匹配關系等，都包含在擠進的數學描述之中[7,8]。令擠進(刻槽)過程從彈帶與坡膛錐面接觸開始，彈丸向前運動，彈帶材料進入屈服流動狀態(tài)，并隨擠進行程增加，多余(過盈)材料推向后方，接觸面逐漸增加[9]。在推導擠進阻力基本方程之前，先提出如下基本假定：

(1) 假定彈丸裝填定位狀態(tài)與彈帶(凸臺)直徑db、彈帶前斜面傾角α2及坡膛角Φ有關，α2即彈帶前側母線與彈丸軸線之間的夾角，為彈帶前傾角。

(2) 假定彈帶與坡膛接觸面上的應力為常量，這個應力即為彈帶材料流動應力σf。

(3) 假定擠進中接觸(壓力)載荷是接觸面積與表面應力的乘積，即Wn=σfAc。

(4) 此外，一些彈帶結構過于復雜，需作適當簡化。特作如下約定,以公稱口徑d為基礎，對彈帶上的溝槽、凸臺和前后傾角因素進行修正，折算出彈帶有效當量直徑db和有效當量寬度Sz。

(5) 對于雙彈帶，在對每條彈帶作簡化處理和確定出db和Sz基礎上，要考慮前后彈帶之間間隔距離[10,11]。

令幾個特征長度分別為

(1)

l2=S2+l1-S1

(2)

l3=S2+l1

(3)

l4=l3+ΔS3

(4)

相應不同階段阻力表達式為

(5)

式中ΔS3為彈帶材料擠壓延伸長度，c為圓周接觸長度，θ為纏角。

(6)

(7)

式中dp為彈帶后部彈丸(溝槽)外徑。

3.2 擠進阻力計算結果

圖6為等截面膛線和漸變截面膛線彈丸彈帶擠進過程阻力的變化情況。擠進阻力的計算只與材料的性質、膛線數目、陽線直徑和陰線直徑有關，對于新型漸變截面結構,膛線可以使得擠進阻力減小約16%，改變膛線截面結構有利于減小彈丸擠進過程中引起的磨損。

通過計算分析可知，在彈丸彈帶擠進的過程中，漸變截面膛線相比于等截面膛線，彈丸彈帶擠進阻力變化趨勢一致，在彈帶擠進初期，漸變膛線變化程度越大，彈帶所受擠入阻力越小，隨著彈帶完全擠入膛線，彈丸彈帶擠入阻力趨于穩(wěn)定，漸變膛線變化對彈丸彈帶影響較小?？傮w來說，漸變截面膛線彈丸彈帶所受擠進阻力相對變小，有利于彈丸彈帶流變擠進膛線，有利于彌補彈帶磨損后形成的間隙，有利于減少膛線根部應力集中，減少彈丸彈帶對膛線的沖擊和磨損，增強銅彈帶的擠入能力，提高火藥燃燒氣體的密封性能，有效提升彈帶的閉氣性能。

4 膛線導轉側向力和摩擦力計算對比分析

4.1 計算模型

膛線導轉側垂直壓力N的計算方法：

圖6 等截面膛線和漸變截面膛線彈丸擠進阻力變化曲線

(8)

炮膛橫截面積S的準確計算公式為

(9)

彈丸運動時沿炮膛軸線方向的摩擦力為

Fl=n(μN)x=nμNcosα

(10)

4.2 計算結果

分別計算了等截面膛線結構和漸變截面膛線炮膛橫截面積變化、膛線導轉側向受力和彈帶與膛線摩擦受力的情況。漸變截面膛線與等截面膛線的炮膛橫截面積的變化如圖7所示，可以看出，等截面膛線橫截面積在膛內不發(fā)生變化，漸變截面膛線橫截面積自藥室膛線起點至炮口逐漸減小。

根據截面面積變化曲線可知，對于等截面膛線結構，陰線直徑、膛線深度、陽線寬度和陰線寬度等尺寸不發(fā)生改變，膛線截面面積曲線為直線；而對于漸變截面膛線結構，陰線直徑由膛線起點處向身管口部方向逐漸減小，即膛線深度由膛線起點處向身管口部方向逐漸減小，陰線寬度由膛線起點處向身管口部方向逐漸變窄，膛線截面面積逐漸減小，漸變截面膛線面積變化曲線為斜線。通過截面面積變化曲線可以推斷，漸變膛線隨著彈丸的運動，由于彈丸與膛線之間的接觸存在一個漸變的過程，形成漸緊式的效果，則彈丸的閉氣性比等截面膛線更好，提高火藥燃燒氣體的密封性能，有效提升彈帶的閉氣性能，且膛內運動受到的擾動相對會減小，使得彈丸在膛內運行平穩(wěn)，減少章動，具有減小彈丸炮口擾動的作用，在提高射擊密集度、保證射擊精度的同時，有利于身管壽命的提高。

圖7 等截面膛線和漸變截面膛線橫截面積變化曲線

圖8為等截面膛線導轉側向力與漸變截面膛線炮膛的彈帶導轉側向力計算結果曲線，最大受力出現在最大彈底壓力的地方，通過對比導轉側向力的計算結果可以看出，漸變截面膛線相對等截面膛線結構，炮膛導轉側向力減小，最大導轉側向力減小約9.98%，炮口處導轉側向力差異較小，約為1%。

計算結果表明漸變截面膛線和等截面膛線最大導轉側力處于同一位置，與彈底壓力最大處一致，位于膛線初始處。由比較結果可知，漸變截面膛線的最大導轉側力小于等截面膛線，漸變截面膛線所受的剪切力小于等截面膛線，改善了膛線初始位置的受力情況，延長了膛線起點的使用壽命。由導轉側力變化曲線可知，隨著彈丸在膛內運行，彈丸導轉側力逐漸趨于一致，說明漸變截面膛線比等截面結構膛線可有效改善膛內膛線所受彈帶導轉側力情況，并且不影響彈丸炮口初速。

等截面膛線彈帶-膛線之間的摩擦力和漸變截面膛線彈帶-膛線之間的摩擦力變化情況如圖9所示。由計算結果可知，漸變截面膛線結構有助于減小彈帶-膛線之間的摩擦力。

圖9 等截面膛線與漸變截面膛線摩擦力變化曲線

通過比較摩擦力計算曲線可知，等截面膛線結構和漸變截面膛線彈帶摩擦力最大處為同一位置，位于彈底壓力最大處，漸變結構膛線產生的彈帶最大摩擦力比等截面結構膛線減小約10%，由比較結果可以看出，漸變膛線產生的彈丸彈帶摩擦力整體小于等截面結構膛線。這種情況表明，漸變結構膛線有利于減少彈丸在膛內運動時所產生的無用功，相同射擊條件下，提升彈丸出炮口威力。同時漸變結構膛線所產生的彈帶摩擦力減小，使膛線所受彈帶摩擦熱減小，增強內膛抗燒蝕壽命，有利于提升身管使用壽命。

5 結 論

通過對等截面結構膛線與漸變截面結構膛線的對比計算分析發(fā)現，采用漸變截面膛線可使彈丸彈帶擠進阻力減小16%；漸變截面膛線相對等截面膛線結構炮膛導轉側向力減小，最大導轉側向力減小約9.98%，炮口處導轉側向力差異較小；漸變結構膛線產生的彈帶最大摩擦力比等截面結構膛線減小約10%，漸變膛線產生的彈丸彈帶摩擦力整體小于等截面結構膛線。漸變截面結構膛線有利于膛線起始處彈丸彈帶材料的流變擠進，有利于彌補彈帶磨損后形成的間隙，有利于減少膛線根部應力集中，減少彈丸彈帶對膛線的沖擊和磨損，增強彈丸彈帶的擠入能力；隨著彈丸在膛內的高速運動，漸變膛線的結構形成了漸緊式的效果，有效提高火藥燃燒氣體的密封性能，提升彈帶的閉氣性能；同時漸變結構膛線所產生的彈帶摩擦力減小，彈丸膛內運動受到的擾動相對減小，使得彈丸在膛內運行平穩(wěn)，減少炮口章動，保證了射擊密集度，同時膛線受到的彈帶摩擦生熱大量減少，增強了身管內膛的抗燒蝕壽命，在保證了射擊精度的同時，有利于身管壽命的提高。

漸變截面膛線的設計是在炮、彈和藥一體化設計的基礎上提出的，是對現有制式火炮裝備身管內彈道結構的豐富和補充，因此滿足現有制式彈藥的發(fā)射使用要求。隨著火炮技術的不斷發(fā)展，身管內彈道設計需要深入研究，在實現漸變截面的基礎上進一步優(yōu)化，探尋截面變化范圍及變化程度，得到漸變截面膛線的最優(yōu)解，滿足不斷提升的武器裝備的火力性能需求。