毛保全, 趙其進(jìn), 白向華, 王之千, 朱銳, 陳春林

(1. 陸軍裝甲兵學(xué)院 兵器與控制系，北京 100072; 2. 96901 部隊(duì)，北京 100089; 3. 63963 部隊(duì)，北京 100072; 4. 32137 部隊(duì)，河北 張家口 075000)

0 引言

火炮是各國軍隊(duì)裝備數(shù)量最多、使用最廣泛的武器之一，在火力突擊、火力壓制、火力支援以及近戰(zhàn)防御中發(fā)揮著不可替代的作用[1]。為了進(jìn)一步提升火炮的火力打擊性能，發(fā)射藥的火藥力、裝填量及裝填密度不斷增加，導(dǎo)致燃?xì)鉁囟群吞艍翰粩嗌?，加劇了身管燒蝕磨損，加速了身管壽命終止[2]，并由此引發(fā)如下一系列問題：

1)在戰(zhàn)斗力方面，身管燒蝕磨損導(dǎo)致彈后空間密閉性和彈丸的導(dǎo)轉(zhuǎn)性變差，進(jìn)而造成火炮的火力性能下降，包括膛壓及初速減小、彈丸飛行穩(wěn)定性變差、射擊精度降低等；

2)在經(jīng)濟(jì)性方面，火炮的壽命很大程度上取決于身管壽命，特別是對于大、中口徑火炮而言，身管購置費(fèi)用較高[3-4]，實(shí)戰(zhàn)實(shí)訓(xùn)中因身管報(bào)廢帶來的換新成本將產(chǎn)生較大的軍費(fèi)開支；

3)在維修性方面，為延長火炮身管的使用壽命，射擊一定發(fā)數(shù)后必須對身管進(jìn)行擦拭保養(yǎng)，該過程將消耗大量人力及物力資源，在戰(zhàn)場上可能對部隊(duì)的持續(xù)作戰(zhàn)能力造成嚴(yán)重影響。

過去，地面壓制火炮的身管壽命一般在數(shù)千發(fā)，二戰(zhàn)期間蘇制某型122 mm 榴彈炮甚至達(dá)到 10 000 發(fā)，但高膛壓火炮的壽命卻難以超過1 000 發(fā)，嚴(yán)重制約了部隊(duì)作戰(zhàn)效能的持續(xù)輸出[5]。為此，國內(nèi)外科研人員針對火炮身管延壽問題開展了大量研究，提出了很多延壽措施，如圖1 所示。但即便如此，身管壽命依然有限，高膛壓、高初速與長壽命之間的矛盾依然突出，給火炮未來發(fā)展帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[6]。此外，我國高膛壓火炮、中小口徑速射炮的身管壽命與歐美等發(fā)達(dá)國家尚有不小的差距，進(jìn)一步延長我國火炮身管的使用壽命需求迫切。因此，針對現(xiàn)有延壽措施繼續(xù)開展深入的理論和應(yīng)用研究，同時(shí)努力探索身管延壽新方法、新技術(shù)對延長身管使用壽命，提升火炮綜合性能，進(jìn)而提高部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力，具有重要的軍事意義。

圖1 火炮身管延壽主要措施Fig. 1 Main measures to prolong gun barrel life

基于上述背景，本文分析了影響火炮身管壽命的主要因素及其之間的耦合關(guān)系；從改進(jìn)發(fā)射藥、內(nèi)膛表面處理、優(yōu)化彈丸和膛線設(shè)計(jì)、炮鋼材料改進(jìn)、磁控等離子體抗燒蝕技術(shù)等方面，綜述了當(dāng)前火炮身管延壽技術(shù)的國內(nèi)外研究進(jìn)展，提出了發(fā)展建議，目的是為進(jìn)一步發(fā)展延壽理論和技術(shù)提供思路，進(jìn)而為解決長期存在的火炮身管延壽難題提供參考和借鑒。

1 火炮身管壽命的影響因素

火炮身管壽命主要由疲勞壽命和燒蝕磨損壽命表征，且燒蝕磨損壽命比疲勞壽命更短，因此更受關(guān)注[7-8]。燒蝕磨損是火炮發(fā)射時(shí)高溫高壓火藥燃?xì)庖约皬椡鑼ι砉軆?nèi)壁共同作用的結(jié)果：一方面，火藥燃?xì)鉀_刷身管壁面，使壁面溫度瞬間達(dá)到數(shù)百甚至上千攝氏度，造成身管壁面燒蝕；另一方面，彈丸的彈帶、彈體對身管反復(fù)作用，導(dǎo)致身管磨損，進(jìn)而破壞彈丸的工作條件，最終使身管因不能滿足戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)而報(bào)廢。造成火炮身管燒蝕磨損的因素包括熱因素、化學(xué)因素以及機(jī)械因素，三者耦合作用、密不可分，如圖2[9]所示。

圖2 熱-化學(xué)-機(jī)械燒蝕磨損機(jī)制示意圖[9]Fig. 2 Schematic diagram of thermal-chemicalmechanical ablation and wear mechanisms[9]

1.1 熱因素對身管壽命的影響

在身管壽命的影響因素中，熱因素起主導(dǎo)作用?；鹚幦?xì)庠诩彼倥蛎浲苿訌椡柽\(yùn)動的同時(shí)，不斷與身管壁面進(jìn)行劇烈的對流和輻射換熱，相關(guān)研究表明，對于某型中口徑火炮，射擊時(shí)火藥燃?xì)馍傻哪芰看蠹s只有30%轉(zhuǎn)化為彈丸的動能，而被身管吸收致使壁面溫度瞬間升高的能量可達(dá)到20%，由此導(dǎo)致的身管燒蝕非常嚴(yán)重[8]。同時(shí)，彈丸切入膛線時(shí)由于變形功產(chǎn)生的熱量、高溫火藥燃?xì)鈴膹棊Эp隙擠出時(shí)的熱作用以及彈帶與身管壁面摩擦生成的熱量對身管造成二次燒蝕，從而加劇壁面熱軟化、熱相變及表層融化。此外，在熱作用下，彈丸與身管內(nèi)壁的摩擦磨損更加突出，使得內(nèi)膛壁面強(qiáng)度降低、脆性增大。相關(guān)研究表明，相同發(fā)射條件下的高溫磨損比常溫磨損快2 ~ 3 倍[10]。

火藥燃?xì)饬鲃用土仪覟橥牧?，其與壁面間的對流換熱異常劇烈，而當(dāng)前針對燃?xì)饧吧砉軆?nèi)膛壁面溫度的測試技術(shù)尚不成熟，因此對流換熱系數(shù)一般采用內(nèi)彈道模型結(jié)合圓管內(nèi)流動的對流換熱經(jīng)驗(yàn)公式間接求取[11]，該經(jīng)驗(yàn)公式為

式中：Nu為努塞爾數(shù)，表征對流換熱的強(qiáng)度；Re為雷諾數(shù)，表征湍流的強(qiáng)度；Pr為普朗特?cái)?shù)，表征流動中動量交換與熱量交換的相對關(guān)系。De?irmenci 等[12]采用熱化學(xué)方法，通過氣體組分計(jì)算、內(nèi)彈道參數(shù)分析及對流換熱經(jīng)驗(yàn)公式求取了火炮身管內(nèi)壁面處的對流換熱系數(shù)，結(jié)果表明，燃?xì)馀c壁面間的瞬時(shí)對流換熱系數(shù)可達(dá)幾十甚至上百kW?m2/K?？梢?，燃?xì)馀c身管壁面間的強(qiáng)制湍流換熱是造成內(nèi)壁面溫度升高、加劇身管燒蝕的主要因素。20 世紀(jì)90 年代，英國學(xué)者Lawton[13]的研究表明，身管內(nèi)膛壁面的磨損程度與內(nèi)壁面溫度呈指數(shù)關(guān)系，當(dāng)壁面溫度降低10%時(shí)，身管內(nèi)壁磨損量僅為原來的1/3。后來，Lawton[14]通過實(shí)驗(yàn)再次證明，當(dāng)在發(fā)射藥中加入滑石粉使得火藥燃?xì)庾罡邷囟冉档?00 K 時(shí)，身管的磨損量可降低60%。

鑒于熱因素的主導(dǎo)作用，降低發(fā)射藥爆溫以及提高身管材料的耐熱性是火炮身管延壽的關(guān)鍵。此外，通過調(diào)控火藥燃?xì)獾牧鲃訝顟B(tài)減小壁面附近的湍流強(qiáng)度，從而降低燃?xì)馀c壁面間的對流換熱，可為身管延壽提供新思路。

1.2 化學(xué)因素對身管壽命的影響

在高溫、高壓環(huán)境下，火藥燃?xì)庵械奶佳趸锛皟?nèi)膛壁面的滲碳、滲氮等擴(kuò)散進(jìn)入炮鋼晶格，與身管材料發(fā)生碳化、氧化和硝化等化學(xué)反應(yīng)，使火炮內(nèi)膛壁面金屬的物理性質(zhì)發(fā)生改變，生成Fe3C、FeO、Fe3O4、Fe5C2、Fe(CO)5等脆硬、熔點(diǎn)低的碳化物、氧化物。其中，滲碳反應(yīng)對身管壽命的影響最為嚴(yán)重[15-16]。

Wu[17]研究發(fā)現(xiàn)了燃?xì)馀c身管內(nèi)膛壁面間相互作用的過程中存在既能生成氧化鐵又能生成碳化鐵的反應(yīng)：

由式(2)、式(3)可以看出，這兩種反應(yīng)都是強(qiáng)烈的放熱反應(yīng)，其釋放的能量將進(jìn)一步加劇火炮身管的燒蝕磨損。此外，相關(guān)研究表明，火藥燃?xì)馀c身管內(nèi)膛壁面間化學(xué)反應(yīng)的強(qiáng)度取決于燃?xì)獾慕M分及溫度，燃?xì)庵械闹饕M分對燒蝕的作用強(qiáng)弱存在如下關(guān)系：CO2> CO> H2O> H2> O> N2[18-19]。因此，從化學(xué)角度而言，改進(jìn)發(fā)射藥成分從而調(diào)節(jié)燃?xì)饨M分、降低發(fā)射藥爆溫以及抑制燃?xì)庀蛏砉鼙诿娴膫鳠?，對延長身管壽命具有重要作用。

1.3 機(jī)械因素對身管壽命的影響

機(jī)械因素在一定程度上加劇了火炮身管的燒蝕磨損，其主要是指燃?xì)庖约皧A雜在燃?xì)庵械墓腆w顆粒對身管的沖刷，以及彈丸、彈帶對身管壁面的摩擦作用?；鹋诎l(fā)射時(shí)，高溫高壓火藥燃?xì)鈱椡钄D進(jìn)內(nèi)膛，在該過程中，彈帶與坡膛發(fā)生擠壓、碰撞并與膛線發(fā)生劇烈摩擦，加快了身管末端膛線的磨損速率；由于加工精度問題，彈丸一般存在一定的偏心性，當(dāng)其在膛內(nèi)高速運(yùn)動時(shí)會與內(nèi)膛壁面接觸并發(fā)生摩擦磨損；當(dāng)膛線出現(xiàn)磨損時(shí)，膛線與彈丸、彈帶的接觸面積減小，進(jìn)而增大了接觸應(yīng)力，使得磨損進(jìn)一步加?。淮送猓?xì)庵袏A雜著很多未燃燒的固體火藥顆粒以及因內(nèi)膛剝落而生成的固體物質(zhì)，這些固體顆粒隨燃?xì)飧咚龠\(yùn)動并沖刷膛壁，進(jìn)一步加速了內(nèi)膛壁面的磨損[20]。

在身管發(fā)生燒蝕磨損直至逐漸失效的過程中，熱因素、化學(xué)因素和機(jī)械因素密切關(guān)聯(lián)，耦合作用。對于鍍鉻身管，內(nèi)膛壁面在燃?xì)獾臒嶙饔煤突瘜W(xué)作用下發(fā)生軟化和相變，生成金屬氧化物，當(dāng)氧化物膨脹引起內(nèi)膛表面凸起時(shí)，彈丸和彈帶將沖擊、擠壓內(nèi)膛表面和鍍層，造成鍍層出現(xiàn)龜裂紋，隨著射彈發(fā)數(shù)的增加，龜裂紋在彈丸摩擦和火藥燃?xì)獾臎_刷作用下不斷擴(kuò)展并出現(xiàn)燒蝕溝槽，最終導(dǎo)致鍍層剝落失效；同時(shí)，當(dāng)彈丸與身管壁面因機(jī)械磨損出現(xiàn)裂紋、縫隙后，高溫燃?xì)鈱⒁詷O高的速度自縫隙擠出，導(dǎo)致該位置壁面溫度進(jìn)一步升高，從而加劇了熱燒蝕和化學(xué)燒蝕。

值得注意的是，雖然目前對于火炮身管壽命的影響因素有了一定的認(rèn)識，但對熱、化學(xué)、機(jī)械耦合作用下內(nèi)膛壁面燒蝕磨損規(guī)律的研究還不夠充分。此外，火藥燃?xì)獾慕M分、燃?xì)鉁囟扰c燒蝕磨損量以及身管不同位置的磨損量與身管壽命的對應(yīng)關(guān)系尚不明確。這些機(jī)理和規(guī)律對進(jìn)一步提升火炮身管延壽技術(shù)措施的作用效果具有深刻的理論指導(dǎo)意義。因此，應(yīng)進(jìn)一步借助先進(jìn)的理論和技術(shù)手段，對身管燒蝕磨損機(jī)理和規(guī)律開展深入研究。

2 火炮身管延壽技術(shù)措施

根據(jù)火炮身管壽命的影響因素可知，身管壽命與身管材料、彈丸結(jié)構(gòu)、彈道設(shè)計(jì)、發(fā)射藥化學(xué)性能等多種因素密切相關(guān)。長期以來，國內(nèi)外研究人員通過研究新型低爆溫發(fā)射藥、發(fā)射藥中添加緩蝕劑、炮鋼材料改進(jìn)以及內(nèi)膛表面處理等常規(guī)技術(shù)措施，并探索新型延壽方法，為減緩身管燒蝕磨損做出了重要貢獻(xiàn)。

2.1 發(fā)射藥改進(jìn)技術(shù)

通過改變發(fā)射藥的成分和裝藥結(jié)構(gòu)可以有效影響發(fā)射藥爆燃時(shí)燃?xì)獾臏囟燃叭紵a(chǎn)物。目前，常用的發(fā)射藥改進(jìn)技術(shù)包括低爆溫發(fā)射藥、緩蝕劑添加、改進(jìn)發(fā)射藥形狀及化學(xué)配比等。

2.1.1 低爆溫發(fā)射藥技術(shù)

發(fā)射藥的爆溫是影響身管壽命極為重要的因素。具有高能量、低爆溫性質(zhì)的新型發(fā)射藥能夠在滿足火炮彈道性能要求的情況下有效減緩內(nèi)膛壁面的燒蝕速率。此外，通過對低爆溫發(fā)射藥的成分配比、藥形、藥量等進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，能夠優(yōu)化膛壓、彈丸初速等彈道參數(shù)，使發(fā)射藥的爆溫更低，從而達(dá)到有效延長火炮身管壽命的效果。

國外對于低爆溫發(fā)射藥的研究開始較早，對改進(jìn)發(fā)射藥配方做了很多嘗試。近年，美國Schaedeli 等[21]研制了一種擠壓復(fù)合低敏感性發(fā)射藥并進(jìn)行了藥形優(yōu)化設(shè)計(jì)。該發(fā)射藥由硝化纖維素、硝胺型晶體能量載體和惰性增塑劑組成，其能在不降低火炮初速的前提下，有效延長身管壽命。法國 Courty 等[22]對比分析了基于黑索今(RDX)和硝化纖維素(NC)的兩種低敏感發(fā)射藥，發(fā)現(xiàn)RDX 基發(fā)射藥的敏感性更低，因此更加適合作為低爆溫發(fā)射藥的主要配方。巴西Mendon?a-Filho 等[23]以M-14 發(fā)射藥為研究對象，通過調(diào)整配方研制了10 種新型發(fā)射藥，試驗(yàn)表明，利用少量乙酰檸檬酸三丁酯(ATBC)和赤蘚糖醇二(AK-II)或者少量ATBC 和乙撐碳酸酯(EC)代替原有成分，能夠在基本不改變原發(fā)射藥內(nèi)彈道性能的基礎(chǔ)上顯著降低發(fā)射藥爆溫，從而減緩身管燒蝕。

國內(nèi)針對低敏感性和低爆溫發(fā)射藥的研究相對較少，雖然近些年進(jìn)行了一些有益探索，但離實(shí)際應(yīng)用還存在一定差距。王琳[24]采用低敏感包覆技術(shù)對混合硝酸酯發(fā)射藥進(jìn)行改進(jìn)，通過在配方中添加RDX 并優(yōu)化弧厚范圍，有效降低了125 mm 穿甲彈的彈道溫度系數(shù)；韓寒[25]使用RDX 替換太根發(fā)射藥中的硝化甘油，研制了一種低爆溫發(fā)射藥，測試結(jié)果表明，改性的發(fā)射藥在增加火藥力的同時(shí)能夠明顯降低燃?xì)鉁囟?；Fu 等[26]制備了一種 RDX-NC-NG(硝化甘油)-DEGDN(二甘醇二硝酸酯)低敏感發(fā)射藥，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了其具備良好的 性能。

通過國內(nèi)外相關(guān)研究可知，RDX 作為一種高性能炸藥，能夠有效降低發(fā)射藥的溫度敏感系數(shù)及燃燒爆溫，因此可以考慮將其作為改性發(fā)射藥的主要成分。但需要注意的是，當(dāng)RDX 大量使用時(shí)，其顆粒晶體狀形貌會導(dǎo)致其脫離粘結(jié)劑而在發(fā)射藥中形成“空穴”，進(jìn)而對發(fā)射藥的韌性和力學(xué)強(qiáng)度造成負(fù)面影響。此外，由于發(fā)射藥能量和爆燃溫度一般成正相關(guān)，大多數(shù)低爆溫發(fā)射藥的火藥力和做功能力也在一定程度上被削弱，進(jìn)而可能導(dǎo)致彈丸初速降低。因此，研究低爆溫發(fā)射藥及低敏感發(fā)射藥配方中含能材料配方鍵之間匹配關(guān)系，并據(jù)此優(yōu)化不同配方的含量，以兼顧發(fā)射藥爆溫和做功能力，對于研發(fā)低燒蝕的高性能發(fā)射藥具有重要 意義。

2.1.2 緩蝕劑添加技術(shù)

發(fā)射藥中減緩身管燒蝕的添加劑或護(hù)膛劑稱為緩蝕劑，其作為一種簡便、有效的延壽途徑被廣泛使用。其中，護(hù)膛劑是把涂料、潤滑油、石蠟、纖維等有機(jī)物質(zhì)或其組合物制成片狀直接放在藥筒內(nèi)；添加劑則是將TiO2、滑石粉、SiO2、ZnO、ZnS、ZnCO3、KHCO3等無機(jī)化合物嵌合在發(fā)射藥中[27]。緩蝕劑能夠吸收發(fā)射藥燃燒時(shí)產(chǎn)生的熱量，同時(shí)其燃燒產(chǎn)物附著在身管內(nèi)膛壁面形成低溫保護(hù)層，能夠?qū)Ω邷厝細(xì)膺M(jìn)行有效隔離，阻礙燃?xì)庵械腃O2、H2O、H2、CO 等對內(nèi)膛壁面的燒蝕[10]。

TiO2/石蠟和滑石粉/石蠟作為傳統(tǒng)的固體護(hù)膛劑，美國在20 世紀(jì)六七十年代就已經(jīng)開始投入使用，目前改進(jìn)其性能的相關(guān)研究仍在不斷開 展[28]。在傳統(tǒng)緩蝕劑的基礎(chǔ)上，各種新型材料在近年不斷被研究人員設(shè)計(jì)并研制[29]。2002 年，美國陸軍軍械研究、發(fā)展與工程中心通過研究分析了3 種新型緩蝕材料K2CO3、CaCO3和ZnCO3的 性能，并與傳統(tǒng)的TiO2緩蝕劑進(jìn)行了對比，研究發(fā)現(xiàn)，K2CO3具有更優(yōu)越的緩蝕效果，或成為更 具應(yīng)用前景的新型緩蝕劑[30]。近些年，國內(nèi) 姬月萍等[31]選用有機(jī)硅酮作為載體，將其與含能材料等多種基材進(jìn)行多元復(fù)合制備了多種緩蝕劑新配方，測試結(jié)果表明純有機(jī)型緩蝕劑和有機(jī)/無機(jī)復(fù)合型緩蝕劑的效果更佳。李強(qiáng)等[32]研究表明，含新型有機(jī)硅材料的緩蝕劑相比TiO2/石蠟型緩蝕劑的緩蝕效果有明顯提高。值得關(guān)注的是，雖然有機(jī)/無機(jī)緩蝕劑和純有機(jī)緩蝕劑具有良好的緩蝕效果，但有機(jī)材料和含能材料的添加會使炮口煙焰增加，不利于火炮的隱蔽性。因此，對于固體緩蝕劑而言，國外較為關(guān)注的鉀鹽添加劑不僅具有良好的緩蝕效果，而且可以抑制炮口煙焰，具有更好的應(yīng)用前景。

除固體添加劑外，某些液體材料，如偏鈦酸、硅油等已被證明具有優(yōu)良的抗燒蝕和耐腐蝕性能。但由于液態(tài)藥劑裝填困難，研究人員將包覆技術(shù)和微膠囊技術(shù)運(yùn)用于液體緩蝕劑制備，以改善芯材的穩(wěn)定性。在國外，雖然該技術(shù)在化工、汽車、航空航天等領(lǐng)域已有廣泛應(yīng)用，但針對發(fā)射藥的研究鮮有報(bào)道[33]。國內(nèi)將這種微膠囊技術(shù)創(chuàng)造性地應(yīng)用到發(fā)射藥緩蝕劑中開展了理論和試驗(yàn)研究，取得了良好的成效。Yan 等[34]采用一步原位聚合法制備了偏鈦酸/脲醛樹脂微膠囊緩蝕劑，燒蝕管試驗(yàn)表明，當(dāng)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%的微膠囊緩蝕劑時(shí)，發(fā)射藥的燒蝕磨損量減小了18.54%。Lin 等[35]、 Li 等[36]以硅油為芯材，以脲醛樹脂為殼材，制備了微膠囊緩蝕劑，試驗(yàn)表明，緩蝕效果可提高20%以上。

針對傳統(tǒng)緩蝕劑存在燃燒不完全、易產(chǎn)生殘 渣等問題，研究人員將納米技術(shù)應(yīng)用于發(fā)射藥中，取得了良好的效果。美國陸軍軍械研究、發(fā)展與工程中心研制了一種低成本氮化硼納米緩蝕劑，通過密閉爆發(fā)器試驗(yàn)驗(yàn)證了其可在不影響發(fā)射藥穩(wěn)定性的前提下有效降低身管燒蝕，該納米緩蝕劑已于 2015 年獲批美國專利，針對于155 mm 火炮的實(shí)驗(yàn)研究目前尚在進(jìn)行中[37-38]。自 2006 年開始，宋遒志等先后制備了多種含納米材料添加劑的發(fā)射藥，研究發(fā)現(xiàn)納米材料緩蝕劑能夠在滿足發(fā)射藥內(nèi)彈道性能指標(biāo)的前提下有效降低炮管溫升[39-41]。 Sun 等[42-43]制備了TiO2-氟聚合物以及TiO2-Si3N4-聚苯乙烯核殼結(jié)構(gòu)納米復(fù)合物緩蝕劑，并以雙基發(fā)射藥為對象開展了燃燒性能試驗(yàn)，結(jié)果表明燒蝕程度最大可降低20.6%。

總的來說，緩蝕劑選材多樣，制備、使用方便、緩蝕效果明顯，已經(jīng)成為身管延壽的主要措施，液態(tài)微膠囊和納米緩蝕劑相較于傳統(tǒng)緩蝕劑效果更優(yōu)且能夠有效緩解殘?jiān)z留問題，是未來緩蝕材料的主流選擇。與國外相比，雖然我國近些年針對緩蝕劑的研發(fā)開展了大量工作，但多數(shù)仍處于理論研究和試驗(yàn)驗(yàn)證階段，尚未形成性能優(yōu)良的產(chǎn)品。筆者認(rèn)為，未來研究需要重點(diǎn)關(guān)注的問題包括：首先，緩蝕劑材料的物理化學(xué)性能及制備工藝對緩蝕效果的影響機(jī)理和規(guī)律有待進(jìn)一步研究明確；其次，由于緩蝕劑添加可能對火炮的內(nèi)彈道性能產(chǎn)生負(fù)面影響，因此其選材、成分、配比、裝填量以及與藥室的匹配性仍需要進(jìn)一步開展優(yōu)化設(shè)計(jì)，特別是在材料選擇方面應(yīng)優(yōu)先使用富含Si、B、N 等元素的化合物，而盡量避免使用含C、H較多的物質(zhì)；此外，目前針對新型緩蝕劑的研究大多建立在理論分析和燒蝕管試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，下一步應(yīng)更多地結(jié)合火炮實(shí)彈射擊試驗(yàn)開展研究測試工作；最后，就目前緩蝕劑發(fā)展現(xiàn)狀來看，燃燒產(chǎn)物殘?jiān)?、清理困難等問題依舊不可避免，相關(guān)的解決方案有待進(jìn)一步突破。

2.1.3 改進(jìn)發(fā)射藥形狀及成分配比

通過合理設(shè)計(jì)發(fā)射藥的形狀及成分配比，可以改變發(fā)射藥燃燒層厚度、燃燒面積以及燃燒速率等參數(shù)，從而優(yōu)化溫度-膛壓變化曲線，進(jìn)而能夠在保證彈丸初速的情況下，達(dá)到有效降低火炮身管燒蝕的效果。有研究表明，粒狀發(fā)射藥比管狀發(fā)射藥具有更優(yōu)的減緩燒蝕效果[44]。Vogelsanger 等[45]開發(fā)了用于大口徑火炮的表面包覆發(fā)射藥技術(shù)，其在混合裝藥中加入一種穩(wěn)定改良劑，稱為“塞子”，發(fā)射藥由端面向內(nèi)孔延伸一定距離被“塞子”封堵，實(shí)現(xiàn)了對發(fā)射藥燃燒速率的有效調(diào)控，從而對內(nèi)彈道性能和身管壽命產(chǎn)生積極效果。國內(nèi)趙強(qiáng)等將高分子復(fù)合材料填充到粒狀疊氮硝胺發(fā)射藥的孔道中，也形成了類似的“塞子”結(jié)構(gòu)，而后對發(fā)射藥進(jìn)行鈍感處理，制備了堵孔鈍感高能發(fā)射藥，如圖3 所示。測試結(jié)果表明，隨著堵孔材料及鈍感材料的增加，發(fā)射藥的爆溫能夠下降2% ~ 5%[46-47]。

圖3 堵孔鈍感發(fā)射藥示意圖[46]Fig. 3 Structure diagram of plugged and insensitive gun propellants[46]

近年，國外學(xué)者的相關(guān)研究表明，在發(fā)射藥成分中加入富氮化合物可以在燃?xì)庵挟a(chǎn)生大量氮?dú)?，而氮?dú)夥€(wěn)定性強(qiáng)，其與內(nèi)膛壁面發(fā)生作用能夠使壁面鋼材氮化，進(jìn)而提高壁面的硬度和熱穩(wěn)定性[48]。Comtois 等[49]研究發(fā)現(xiàn)，聚疊氮縮水甘油醚用于硝化纖維素基發(fā)射藥可顯著降低其燒蝕性。Lavoie 等[50]開展了針對5 種發(fā)射藥的燒蝕管試驗(yàn)，結(jié)果顯示含氮量最高的MTB16 發(fā)射藥的燃燒爆溫(2 951 K)雖然高于MTB15(2 569 K)和SB(2 602 K)，但其燒蝕程度在5 種發(fā)射藥中最小，試驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示。 Damse 等[51]將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的黑索金替換為5-氨基四唑胍鹽后，研究了燃?xì)鉁囟群桶l(fā)射藥燃速特性，結(jié)果表明，發(fā)射藥改性后不會對內(nèi)彈道性能造成不利影響，但能夠使燃?xì)鉁囟冉档图s120 K，同時(shí)大量氮?dú)饽軌蚺c炮鋼發(fā)生氮化反應(yīng)從而進(jìn)一步起到抗燒蝕效果。

圖4 點(diǎn)火試驗(yàn)后燒蝕管試件的形貌[51]Fig. 4 Morphology of ablation test pieces after ignition[51]

鑒于富氮類添加劑用于發(fā)射藥配方具有更低的燒蝕性，因此我國在發(fā)射藥改性研究方面可予以優(yōu)先考慮，如使用疊氮化合物、三嗪類化合物、四唑類化合物等。而且，新型發(fā)射藥配方的研制應(yīng)與緩蝕劑的添加綜合考量，以確保改進(jìn)后的發(fā)射藥具有良好的燃燒性能、緩蝕性能及安全性能。此外，發(fā)射藥形狀及化學(xué)成分的改變將不可避免地對發(fā)射藥做功能力產(chǎn)生影響，因此，應(yīng)綜合考慮發(fā)射藥的燃速和爆溫性能，通過合理設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)內(nèi)彈道性能和耐燒蝕性的匹配優(yōu)化。

2.2 內(nèi)膛表面處理技術(shù)

內(nèi)膛表面處理一般是指通過物理或化學(xué)等方法在身管內(nèi)壁面鍍覆一層與基體材料不同的鍍層，或者通過淬火、激光等方式對身管內(nèi)壁面進(jìn)行熱強(qiáng)化，使壁面材料發(fā)生變性，從而提高火炮身管的抗燒蝕磨損性能。當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的鍍層材料是金屬鉻[52]。但由于鉻容易剝落且對環(huán)境具有危害性，一些替代材料，如其他金屬(鈮、鎳、鉬、鉭等)、金屬陶瓷材料(碳化鈦、碳化鋯等)、合金材料(鎳-鉭合金、鉭-鎢合金、錸-鉑合金等)等被越來越多的學(xué)者研究；同時(shí)，鍍層成形工藝也由傳統(tǒng)的電鍍、化學(xué)鍍發(fā)展到激光熱熔覆、磁控濺射、等離子噴涂等多種手段[10]；此外，通過鍍層工藝與表面熱處理技術(shù)相結(jié)合，能夠進(jìn)一步增強(qiáng)內(nèi)膛壁面的耐燒蝕磨損性能。

2.2.1 電鍍、化學(xué)鍍技術(shù)

電鍍和化學(xué)鍍技術(shù)與金屬鉻結(jié)合最早，技術(shù)成熟度也最高。近年來，研究人員一方面改善鍍覆工藝，另一方面探索新型鍍層材料，三價(jià)鉻、鉭-鉻合金[53]、鉻-碳化鎢復(fù)合材料[54]等相繼被研制。但由于鉻層存在開裂、剝落等問題，成為導(dǎo)致鍍鉻身管報(bào)廢的主要原因[55]。Pragya 等、Tripathi 等針對該問題，采用電化學(xué)沉積方法開展了鉻-氧化釔穩(wěn)定氧化鋯-碳納米管(Cr-YSZ-CNT)鍍層的燒蝕磨損性能試驗(yàn)，結(jié)果表明，一方面，YSZ 粒子可增強(qiáng)Cr 的強(qiáng)度和韌性，另一方面，CNT 可改善鍍層的光滑性，因此鍍層具有良好的耐燒蝕磨損性能[56-57]。國內(nèi)王升等利用固相混料方式成功在炮鋼表面實(shí)現(xiàn)了熔融鹽電鍍鉭(見圖5)，通過對比測試驗(yàn)證了鉭鍍層比鉻鍍層具有更優(yōu)越的耐燒蝕磨損性能[58]。

圖5 熔鹽電鍍鉭裝置示意圖[58]Fig. 5 Schematic diagram of MSE process of Ta[58]

2.2.2 熱熔覆技術(shù)

身管熱熔覆是指通過火焰、紅外、激光、等離子體射流等高溫?zé)嵩磳⑷鄹膊牧峡焖偃刍?，使其在炮鋼表面迅速擴(kuò)散后急速凝固，形成一層能夠提高炮鋼耐燒蝕和磨損性能的復(fù)合涂層的技術(shù)[59]。由于激光能量密度高、可控性好，因此在內(nèi)膛表面處理中更具應(yīng)用前景，其原理如圖6[60]所示。此外，涂層材料在炮鋼表面的熔覆也通常采用等離子體焰作為熱源來實(shí)現(xiàn)，被稱為等離子體熔覆技術(shù)，其原理如圖7[61]所示。

圖6 激光熔覆技術(shù)原理示意圖[60]Fig. 6 Schematic diagram of laser cladding technology[60]

圖7 等離子體熔覆技術(shù)原理圖[61]Fig. 7 Schematic diagram of plasma cladding technology[61]

2.2.3 噴涂技術(shù)

噴涂技術(shù)主要包括熱噴涂和冷噴涂。目前常用于身管內(nèi)膛延壽的熱噴涂技術(shù)主要包括線爆炸噴涂(見圖8)[68]、電爆炸噴涂[69]、等離子體噴涂(見 圖9)[70-71]、激光噴涂等[72]，其區(qū)別在于所利用的能量源不同。

圖8 線爆炸噴涂制備身管涂層原理圖Fig. 8 Schematic diagram of coating preparation of a gun barrel by wire explosion spraying

圖9 等離子體噴涂技術(shù)原理示意圖[71]Fig. 9 Schematic diagram of plasma spraying technology[71]

美國陸軍貝尼特實(shí)驗(yàn)室Vigilante 等[73]利用爆炸噴涂技術(shù)在身管內(nèi)膛壁面制備了鉭鍍層，實(shí)現(xiàn)了鍍層與炮鋼金屬之間有效融合。美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室成功利用冷噴涂技術(shù)將鉭-鎢合金鍍覆在炮鋼表面，并制備了3 英尺長的火炮身管，驗(yàn)證了該技術(shù)的可行性[74]。俄羅斯Rybin 等[75]利用爆炸噴涂技術(shù)在基體上制備了金屬鎢涂層，發(fā)現(xiàn)采用爆炸噴涂技術(shù)孔隙率低，涂層性能優(yōu)于等離子體噴涂工藝。近些年，國內(nèi)研究人員針對基于熱噴涂方法的身管內(nèi)膛表面處理技術(shù)開展了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，但所用的基材多為鋼板，涉及身管內(nèi)壁噴涂及性能測試的研究很少。Jiang 等采用電爆炸噴涂技術(shù)將材料7Cr13+B和FeCrBSiB 鍍覆在炮鋼基材表面，試驗(yàn)結(jié)果表明，7Cr13+B 涂層致密，裂紋和孔隙少，硬度及與基體的結(jié)合強(qiáng)度都優(yōu)于電鍍鉻層[76-77]。門向東等利用等離子噴涂技術(shù)制備了兩種鐵基涂層，燒蝕試驗(yàn)結(jié)果表明，兩種涂層均與基體形成了良好結(jié)合，并使炮鋼的耐燒蝕磨損性能得到明顯提升[62]。

2.2.4 氣相沉積技術(shù)

身管氣相沉積利用氣體中發(fā)生的物理、化學(xué)過程，在內(nèi)膛表面形成耐燒蝕的金屬、非金屬或化合物膜層。按照成膜原理，氣相沉積技術(shù)可分為化學(xué)氣相沉積和物理氣相沉積等[78]。已有研究表明，利用化學(xué)氣相沉積在內(nèi)膛表面制備純錸或鉬-錸、鎢-錸、錸-鉑合金膜層，可以有效提高身管的抗燒蝕磨損性能[79]。一直以來，國內(nèi)外專家學(xué)者開展了利用磁控濺射技術(shù)和多弧離子鍍技術(shù)延長火炮身管壽命的研究，其二者都屬于物理氣相沉積[80-81]。其中，磁控濺射是指將鍍層材料作為靶材，利用氬離子轟擊靶材，從而使其濺射到工件表面形成沉積層的一種鍍膜技術(shù)，如圖10[82]所示。

圖10 磁控濺射技術(shù)原理圖[82]Fig. 10 Schematic diagram of magnetron sputtering technology[82]

1989 年，Turley 利用雙平面磁控濺射裝置和快速原子束，在炮鋼基體表面沉積了鉻、鈮、鉭等合金膜層，并完成了鍍膜后炮管的射擊試驗(yàn)，驗(yàn)證了磁控濺射技術(shù)用于身管延壽的可行性[83]。美國陸軍軍械研究、發(fā)展與工程中心研發(fā)了兩種專門用于大口徑火炮身管的圓柱形磁控濺射設(shè)備，分別用于短身管和長身管，如圖11[84]所示。利用該設(shè)備對某型120 mm 口徑火炮鍍覆了鉻膜層及鉭/鉻雙層膜層，測試表明，鉭/鉻雙層膜層在耐燒蝕和抗裂性方面明顯優(yōu)于鉻膜層[85]。Jin 等首次利用磁控濺射技術(shù)在身管內(nèi)膛壁面沉積了CrAlN 和CrAlVN 兩種膜層，證明了兩種膜層均可顯著提高身管的耐燒蝕磨損性能[86-87]。Suh 等[88]采用等離子體輔助化學(xué)氣相沉積法在高強(qiáng)度鋼表面合成了的鉭膜層，研究表明通過調(diào)節(jié)沉積溫度、總壓和氣體組分可以有效控制沉積速度，進(jìn)而調(diào)節(jié)膜層性能，但由于該基體的光滑致密度較炮鋼尚有差距，限制了該方法的進(jìn)一步應(yīng)用。國內(nèi)張健等[89]利用電弧等離子體鍍在炮鋼表面沉積了TiAlN 和TiAlYN 膜層，并研究了添加釔對膜層氧化性能的影響，結(jié)果顯示含釔TiAlYN 鍍膜具有更優(yōu)越的抗燒蝕和腐蝕性能。

圖11 用于火炮身管的圓柱形磁控濺射設(shè)備[84]Fig. 11 Cylindrical magnetron sputtering equipment for gun barrels[84]

2.2.5 內(nèi)膛壁面熱處理技術(shù)

條目信息：對期刊全文和圖書做了大量碎片化加工，如期刊論文中的研究方法、研究前證據(jù)、材料、討論等；圖書加工到章節(jié)，包含條目的標(biāo)題、摘要 、關(guān)鍵詞，DOI地址以及售價(jià)。

表面熱處理主要通過對炮鋼表層加熱而后迅速冷卻的方式，改變其表層組織結(jié)構(gòu)，獲得高硬度的細(xì)致馬氏體組織，從而抑制射擊時(shí)導(dǎo)致的裂紋擴(kuò)展，提高內(nèi)膛壁面的耐摩擦磨損性能；此外，熱處理技術(shù)還可用于鍍層前的預(yù)處理或者鍍層后的熱強(qiáng)化。常用的內(nèi)膛壁面熱處理技術(shù)包括激光淬火、等離子體淬火等[90]。

Chatterjee 等[91]研究發(fā)現(xiàn)炮鋼淬火后形成的晶粒奧氏體、板條狀馬氏體以及微合金碳氮化合物改變了炮鋼的微觀結(jié)構(gòu)，能夠有效增加炮鋼的硬度和韌度。近年來，國內(nèi)研究人員針對炮鋼表面淬火強(qiáng)化的相關(guān)理論及應(yīng)用開展了相關(guān)研究，羅天放等對炮管及坡膛處的炮鋼材料經(jīng)過等離子體淬火后的性能開展了試驗(yàn)及測試，驗(yàn)證了等離子淬火技術(shù)提升炮鋼硬度和摩擦因數(shù)的有效性[92-94]。劉峻等研究了激光淬火預(yù)處理基體延長鍍鉻身管壽命的機(jī)理，燒蝕測試結(jié)果表明該技術(shù)可以提高鍍鉻層界面剪切強(qiáng)度70%以上，炮管燒蝕量比未經(jīng)激光處理時(shí)可降低10%以上[95-96]。

在炮鋼表面電化學(xué)沉積的基礎(chǔ)上，Pragya 等分析了激光淬火強(qiáng)化對四種不同鉻鍍層(Cr、Cr-YSZ、Cr-CNT、Cr-YSZ-CNT)的影響，如圖12 所示。掃描電鏡結(jié)果顯示，激光強(qiáng)化處理后，4 種鉻鍍層的硬度和楊氏模量都有所提高，其中，Cr-YSZ-CNT 復(fù)合鍍層處理后的耐燒蝕磨損性能優(yōu)異，其結(jié)合激光強(qiáng)化的方法有望成為火炮身管延壽的新選擇[97]。

圖12 激光淬火強(qiáng)化過程示意圖[97]Fig. 12 Schematic diagram of laser quenching and strengthening process[97]

大量理論和試驗(yàn)結(jié)果表明，內(nèi)膛壁面鍍層和熱處理強(qiáng)化等技術(shù)對提高身管耐燒蝕磨損性能效果顯著，與發(fā)射藥中添加緩蝕劑技術(shù)一并成為火炮延壽的主要技術(shù)措施。當(dāng)前，多種不同的鍍覆、噴涂、淬火工藝不斷被提出和應(yīng)用，為進(jìn)一步降低身管的燒蝕磨損提供了可行途徑。但另一方面，電鍍鉻技術(shù)依然是目前工程化應(yīng)用中的主要手段，雖然鉭、釔、鈷、鎢等金屬及其合金鍍層被證明具有更優(yōu)越的性能，但目前大多尚處于試驗(yàn)研究階段，能夠取代鍍鉻并能大規(guī)模量產(chǎn)使用的鍍層技術(shù)仍有待進(jìn)一步開展相關(guān)驗(yàn)證。此外，長圓筒結(jié)構(gòu)的身管對鍍層設(shè)備和相關(guān)工藝提出了更高的要求，受制于鍍覆工藝的成熟度，內(nèi)膛脫鉻、擦傷等問題目前還時(shí)有發(fā)生。

在內(nèi)膛壁面處理技術(shù)領(lǐng)域，自20 世紀(jì)70 年代以來，國內(nèi)在鍍層工藝改進(jìn)、高溫鍍覆、激光強(qiáng)化等方面開展了大量研究工作，取得了一系列研究成果，但表面處理工藝的精密性、可控性和成熟性仍有待進(jìn)一步提升，特別是目前還存在鍍鉻合格率低、表面光潔度差等問題。因此，后續(xù)研究工作的重點(diǎn)首先應(yīng)結(jié)合炮鋼材料的物理化學(xué)特性，在進(jìn)一步明晰不同鍍層性能及其失效機(jī)理的基礎(chǔ)上，遴選耐燒蝕磨損性能優(yōu)、與炮鋼結(jié)合性能好并能夠長期保持穩(wěn)定的鍍層材料；其次，應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化鍍覆工藝，以提高鍍層的均勻性及耐燒蝕磨損性，對于大、中口徑火炮而言，爆炸噴涂技術(shù)、磁控濺射技術(shù)結(jié)合內(nèi)膛表面熱處理工藝應(yīng)成為主要突破點(diǎn)，特別是圓柱形磁控濺射技術(shù)由于具有低溫特性，能夠有效保護(hù)身管自緊過程中注入的殘余應(yīng)力；最后，應(yīng)研制適用于各種口徑火炮的鍍覆設(shè)備，如內(nèi)孔噴涂裝置等，以使其更好地滿足身管內(nèi)的使用條件。

2.3 優(yōu)化彈丸和膛線設(shè)計(jì)

彈丸的彈帶和彈體經(jīng)坡膛擠進(jìn)身管及在身管內(nèi)運(yùn)動的過程中，會不斷與身管內(nèi)壁和膛線進(jìn)行摩擦，造成壁面磨損。與此同時(shí)，因彈帶損壞和熔化導(dǎo)致的火藥燃?xì)庑孤股砉鼙诿嬖谌細(xì)獾臒釠_刷下發(fā)生熱軟化，將進(jìn)一步加劇由于彈丸擠壓造成的摩擦磨損，加速身管壽命終止。因此，彈體和彈帶的材料、結(jié)構(gòu)以及形狀都會對身管的壽命造成影響[98]。

Schupfer 等[99]分別探索了鎳、鈦和和碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等作為新型彈帶材料在減緩身管摩擦磨損方面的可行性。Wu 等[100]測試了銅、鋁-青銅以及尼龍三種材料彈帶在擠進(jìn)過程中的摩擦磨損特性，同時(shí)對彈帶成形、焊接及電弧噴涂工藝進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，彈帶材料、彈帶結(jié)構(gòu)(直徑和寬度)以及彈丸擠進(jìn)速度都會對內(nèi)膛壁面的摩擦磨損狀態(tài)產(chǎn)生影響，使用電弧噴涂工藝制備彈帶涂層可有效提高大口徑火炮彈帶的性能。盧鳳生等[101]研究了傳統(tǒng)H90 黃銅彈帶的磨損機(jī)理，研制了一種B19 白銅彈帶用于改善彈帶與壁面間的摩擦磨損問題(見圖13)。為了減小彈帶對身管內(nèi)壁的摩擦作用，尼龍塑料等新材料彈帶不僅能夠有效密閉高壓氣體，而且能夠使彈帶與身管壁面間的作用力減小一個(gè)數(shù)量級，此外，其較低的軟化點(diǎn)能夠有效浸潤內(nèi)膛壁面，減少燃?xì)飧咚贁D出對膛壁的傳熱，具有較好的應(yīng)用前景[102]。

圖13 經(jīng)磨損后兩種彈帶的對比圖[101]Fig. 13 Comparison of two kinds of rotating band after wear[101]

對膛線尺寸和結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以改善膛線與彈帶作用時(shí)陽線導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)的受力和摩擦磨損，進(jìn)而延長火炮身管壽命。20 世紀(jì) 90 年代，德國萊茵金屬有限公司對身管內(nèi)漸速膛線進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得膛線從炮尾到炮口的沿程受力呈梯形，測試表明膛線受力比等齊膛線可降低約四分之一，從而有效提高了身管的使用壽命[103]。在漸速膛線的基礎(chǔ)上，混合膛線的使用使得火炮內(nèi)彈道性能和身管壽命得到進(jìn)一步提高。目前，美國雷明頓武器公司所生產(chǎn)武器的身管膛線一般采用弧形或多邊弧形，以便減小子彈切入或擠入膛線時(shí)的變形功和彈丸在膛內(nèi)的摩擦損耗，可以在膛壓一定的情況下提高武器初速并延長身管壽命[104]。此外，國內(nèi)薛百文等[105]的研究表明，鋸齒形結(jié)構(gòu)的膛線將比矩形結(jié)構(gòu)膛線的壽命更長。

2.4 炮鋼材料改進(jìn)技術(shù)

炮鋼材料在一定程度上決定著身管強(qiáng)度、韌性及耐燒蝕磨損性能，是影響身管壽命的關(guān)鍵。 20 世紀(jì)70 年代，美國陸軍通過在AISI4330 鋼中加入釩，先后研制出2% Cr-Ni-Mo-V 中強(qiáng)度鋼和3% Ni-Cr-Mo-V 高強(qiáng)度鋼，有效提高了炮鋼的 強(qiáng)度[61]。目前，國內(nèi)外最常用的炮鋼材料為中碳 Cr-Ni-Mo-V 鋼，長期以來，科研人員對炮鋼中Cr、Ni、Mo、V 等合金元素對鋼性能的影響進(jìn)行了研究和分析，調(diào)整合金成分的配比成為提高炮鋼性能的重要方法，但Cr-Ni-Mo-V 鋼發(fā)展已趨于瓶頸，改進(jìn)合金組分對炮鋼性能的提升的空間已非常有限[106]。Liu 等[107]通過慢應(yīng)變率試驗(yàn)測試了不同Mo 含量下3Cr-Ni-Mo-V 炮鋼在淬火和575 ℃回火后的抗拉強(qiáng)度，結(jié)果顯示，當(dāng)Mo 含量從0.43%增加到 1.06%時(shí)，炮鋼中 M2C 碳化物的含量從0.167%增加到0.517%，抗拉強(qiáng)度從1 340 MPa 增加到1 505 MPa。

近年來，國內(nèi)外在新型身管材料的研發(fā)和生產(chǎn)應(yīng)用方面取得一定進(jìn)展。美國材料與電化學(xué)研究公司Katz 等[108]將纖維增強(qiáng)陶瓷金屬內(nèi)襯輕型復(fù)合材料用于25 mm 口徑火炮身管，驗(yàn)證了其基本滿足彈丸發(fā)射時(shí)的承載能力；此外，該公司W(wǎng)ithers 等[109]論證并研制了一種全鈦炮管結(jié)合TiCN 內(nèi)襯的復(fù)合身管，驗(yàn)證了其能夠在延長身管使用壽命的同時(shí)減輕40%以上的身管質(zhì)量。美國陸軍實(shí)驗(yàn)室研究了一種由鈷基合金材料制成的火炮身管，實(shí)彈射擊試驗(yàn)表明該材料具有優(yōu)良的耐燒蝕磨損性能，并考慮將其作為身管內(nèi)襯或鉻鍍層的替代材料[110]。此外，這些研究人員將鈷-鉻-鎢合金、司太立合金、Mo-0.5Ti、Ta-10W 等高溫合金材料和 SiC、SiAlON 等陶瓷材料作為火炮身管的內(nèi)襯，開展了大量理論和試驗(yàn)驗(yàn)證工作。國內(nèi)南京理工大學(xué)、兵器裝備集團(tuán)、西北機(jī)電工程研究所等單位針對復(fù)合材料身管的研制和使用也開展了相關(guān)研究。劉暢等研究了纖維增強(qiáng)金屬內(nèi)襯復(fù)合材料身管的動態(tài)沖擊響應(yīng)[111]；譚繼宇、郭俊行等針對某型無后坐力炮，研究了碳纖維纏繞鈦合金內(nèi)襯身管的力學(xué)性 能[112-113]，為先進(jìn)復(fù)合材料身管的設(shè)計(jì)和研發(fā)提供了一定的參考和借鑒。

自20 世紀(jì) 80 年代以來，提高炮鋼的冶煉水平成為改善炮鋼性能的有效技術(shù)途徑，在這種背景下，電渣重熔的炮鋼精煉技術(shù)得到運(yùn)用，形成了電爐初煉、爐外精煉、電渣重熔的炮鋼生產(chǎn)工藝，如圖14[114-115]所示。此外，采用“合金純凈化控制”和“合金氧化物控制”，可以減少炮鋼材料中的夾雜物，提高其純凈度和含氧量，進(jìn)而提高其韌性和耐燒蝕性能[116]。

圖14 電渣重熔工作原理示意圖[115]Fig. 14 Working principle of electroslag remelting[115]

法國Albert-Duval 公司近年來通過提高炮鋼純凈度以及優(yōu)化合金元素含量對ASTM A723 鋼進(jìn)行了改進(jìn)，成功研發(fā)出抗拉強(qiáng)度1 400 MPa、屈服強(qiáng)度1 300 MPa 的HB7 炮鋼，并實(shí)現(xiàn)了工程化應(yīng)用[117]。國內(nèi)胡俊等采用真空感應(yīng)爐和電渣重熔爐雙聯(lián)工藝技術(shù)對炮鋼的冶煉工藝進(jìn)行了改進(jìn)，使得炮鋼中氣體含量與有害元素含量明顯減少，同時(shí)其發(fā)現(xiàn)新型五元稀土渣系具有較強(qiáng)的脫硫能力，可有效提高鋼的韌性與疲勞性能[118]。胡士廉采用“減法合金”理論，通過適當(dāng)合金化減少炮鋼中的雜質(zhì)物，同時(shí)控制炮鋼中的氧含量，最終進(jìn)一步提升了炮鋼強(qiáng)度、韌性等綜合性能[119]。

與歐美等西方國家相比，我國在身管材料基礎(chǔ)研究及身管加工工藝等領(lǐng)域的技術(shù)基礎(chǔ)還相對薄弱，導(dǎo)致我國身管材料的冶金質(zhì)量較低，材料內(nèi)非金屬夾雜物、內(nèi)部發(fā)紋及有害元素的含量明顯偏高，進(jìn)而對身管的強(qiáng)度、韌性和抗裂紋能力產(chǎn)生了明顯影響。此外，我國的精鍛工藝一直采用國外技術(shù)，精鍛參數(shù)設(shè)置方面經(jīng)驗(yàn)不足，精鍛后身管的強(qiáng)度和抗燒蝕磨損性能與國外差距明顯。因此，應(yīng)持續(xù)強(qiáng)化在身管材料、加工工藝等基礎(chǔ)領(lǐng)域的科研攻關(guān)，優(yōu)化炮鋼合金成分并提升炮鋼純凈度。此外，就目前研究現(xiàn)狀來看，高強(qiáng)度合金內(nèi)襯或復(fù)合材料(陶瓷、碳纖維、玻璃纖維等)內(nèi)襯結(jié)合輕質(zhì)合金外襯的復(fù)合身管為實(shí)現(xiàn)火炮身管延壽和輕量化提供了可行途徑。因此，未來應(yīng)繼續(xù)探索高強(qiáng)度高韌度身管材料，重點(diǎn)關(guān)注身管內(nèi)、外襯管的配合問題，并開展復(fù)合身管結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.5 磁控等離子體抗燒蝕技術(shù)

隨著現(xiàn)代化和未來戰(zhàn)場對火炮綜合性能的要求越來越高，延長身管使用壽命的需求越來越迫切，但現(xiàn)有的常規(guī)延壽措施無法在短期內(nèi)使身管壽命取得突破性提升。在此背景下，探索能夠減少火炮身管燒蝕，延長身管壽命的新技術(shù)對提升火炮的綜合性能具有重要意義。國內(nèi)研究人員首次提出一種利用磁控等離子體理論降低身管壁面燒蝕、延長身管壽命的新技術(shù)，即磁控等離子體抗燒蝕技術(shù)[120-121]。

毛保全等[122]研究發(fā)現(xiàn)，火炮發(fā)射時(shí)火藥燃?xì)庵械牟糠至Ｗ釉诟邷貤l件下會發(fā)生熱電離生成等離子體，使火藥燃?xì)饩哂幸欢ǖ膶?dǎo)電性。特別是在發(fā)射藥中添加少量電離種子(一般為電離電位較低的堿金屬)后，火藥燃?xì)獾碾妼?dǎo)率將明顯提高。利用火藥燃?xì)獾膶?dǎo)電性，李程等[120]通過在身管內(nèi)施加一定強(qiáng)度的磁場，利用磁場與火藥燃?xì)庀嗷プ饔眯纬傻拇帕黧w動力學(xué)效應(yīng)改變?nèi)細(xì)獾牧鲃有袨楹蛡鳠崽匦?，從而達(dá)到抑制燃?xì)庀蛏砉鼙诿鎮(zhèn)鳠岬男Ч?/p>

作為身管延壽技術(shù)的新探索，磁控等離子體抗燒蝕技術(shù)可與其他常規(guī)延壽措施相互配合，進(jìn)一步延長身管的使用壽命。近些年，針對該技術(shù)的理論有效性和工程可行性，研究人員從發(fā)射藥燃燒型等離子體的導(dǎo)電特性、磁控等離子體傳熱抑制機(jī)理等方面開展了大量研究工作。

2.5.1 發(fā)射藥燃燒型等離子體的導(dǎo)電特性研究

發(fā)射藥燃燒時(shí)生成等離子體的參數(shù)及火藥燃?xì)獾膶?dǎo)電特性是研究磁控等離子體理論產(chǎn)生抗燒蝕效果的前提和基礎(chǔ)。Lin 等[123]的研究結(jié)果表明，一定量的電離種子對爆轟發(fā)動機(jī)爆轟性能的影響較小，但能夠顯著提升爆轟過程中等離子體的產(chǎn)生，使燃?xì)獾碾妼?dǎo)率提高4~5 個(gè)數(shù)量級。毛保全等結(jié)合經(jīng)典內(nèi)彈道模型和半經(jīng)驗(yàn)Kantrowitz 公式，構(gòu)建了火藥燃?xì)鉄犭婋x模型，對火藥燃?xì)獾碾婋x度和電導(dǎo)率進(jìn)行了數(shù)值求解，計(jì)算結(jié)果表明，燃燒產(chǎn)物的電子密度和電導(dǎo)率與電離種子含量和火藥力呈正相關(guān)，部分?jǐn)?shù)值結(jié)果如圖15[124-131]所示。

圖15 火藥燃燒型等離子體的電導(dǎo)率數(shù)值求解結(jié)果[124]Fig. 15 Solution results of electrical conductivity of plasma generated by gunpowder combustion[124]

此外，李俊等搭建基于開放式燃燒管及密閉爆發(fā)器的試驗(yàn)系統(tǒng)，采用光譜法研究了發(fā)射藥燃燒生成等離子體的規(guī)律(兩套試驗(yàn)裝置見圖16 和圖17)。研究結(jié)果表明，電離種子含量及火藥力對光譜強(qiáng)度和燃燒產(chǎn)物的電子密度影響顯著，隨著電離種子含量的增加，燃燒產(chǎn)物的電子密度增大[125-126,130]。

圖16 開放式燃燒裝置[125]Fig. 16 Open combustion apparatus[125]

圖17 密閉爆發(fā)器燃燒裝置[126]Fig. 17 Closed bomb combustion apparatus[126]

磁場對圓管內(nèi)火藥燃?xì)獯帕黧w流動和傳熱特性的影響機(jī)理和規(guī)律是優(yōu)化發(fā)射藥中電離種子添加及身管加磁，進(jìn)而降低火炮身管燒蝕的關(guān)鍵。李程等構(gòu)建了火藥燃?xì)獯帕黧w動力學(xué)模型，研究了不同磁場方向及燃?xì)怆妼?dǎo)率等因素對燃?xì)獯帕黧w流動和傳熱特性的影響。研究表明，施加一定強(qiáng)度的徑向磁場后，核心流動區(qū)域的速度和湍流受到抑制，且與磁場垂直的邊界層附近的速度和湍流受到的抑制作用更強(qiáng)，如圖18 和圖19 所示；在軸向磁場作 用下，火藥燃?xì)獯帕黧w的湍流強(qiáng)度和傳熱同樣受 到抑制，且傳熱抑制的效果比徑向磁場更加明 顯[121,132-133]。Zhao 等研究了軸向、徑向以及輻射向磁場作用下，圓管內(nèi)氣態(tài)磁流體的傳熱抑制機(jī)理。研究結(jié)果表明，徑向磁場對流動和傳熱的影響表現(xiàn)為各向異性，軸向和輻射向磁場的影響表現(xiàn)為各向同性，且輻射向磁場的傳熱抑制效果最顯著。此外，圓管壁面的對流換熱強(qiáng)度隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，即傳熱抑制存在“飽和效應(yīng)”[134-135]。上述研究為優(yōu)化身管內(nèi)磁場構(gòu)型提供了重要的理論基礎(chǔ)。

圖18 圓筒出口截面處磁流體的速度分布[121]Fig. 18 Velocity distribution of the magnetic fluid at the outlet section of the cylinder[121]

圖19 圓筒出口截面處磁流體的湍流動能分布[133]Fig. 19 Turbulence kinetic energy distribution of the magnetic fluid at the outlet section of the cylinder[133]

2.5.2 磁控等離子體傳熱抑制機(jī)理研究

為驗(yàn)證上述數(shù)值模擬結(jié)果的有效性，李程等搭建了磁控等離子體傳熱特性實(shí)驗(yàn)裝置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在磁場的作用下，模擬身管壁面溫度明顯降低(見圖20)，證明了磁控等離子體理論用于火炮身管延壽領(lǐng)域的可行性和有效性[132]。

圖20 石英管外壁溫度分布圖[132]Fig. 20 Temperature distribution of the outer wall of the quartz tube[132]

由于火炮發(fā)射是一個(gè)極其復(fù)雜的瞬態(tài)過程，具有高溫、高壓、高速特性并且以高頻率重復(fù) 進(jìn)行[136]，加之磁場與火藥燃?xì)獯帕黧w的相互作用，該過程涉及流場、溫度場、電磁場等多物理場，屬于典型的多場強(qiáng)耦合多相非穩(wěn)態(tài)問題，這種極端條件下產(chǎn)生傳熱抑制的規(guī)律及抗燒蝕效果的機(jī)理尚不完全明晰。此外，雖然通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該延壽新技術(shù)的有效性和可行性，但目前尚缺乏真實(shí)火炮發(fā)射條件下的相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證，因此該技術(shù)離實(shí)裝應(yīng)用尚有差距。下一步研究中，應(yīng)進(jìn)一步突破發(fā)射藥電離種子添加、身管加磁、電能供給、電磁兼容等一系列關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)而推動該技術(shù)應(yīng)用于工程實(shí)踐。

3 結(jié)論

自火炮問世以來，身管延壽難題始終制約著其綜合性能的進(jìn)一步提升，在現(xiàn)代化戰(zhàn)場遠(yuǎn)程精確打擊、大范圍火力壓制、快速防空反導(dǎo)等作戰(zhàn)任務(wù)的需求牽引下，進(jìn)一步提升火炮身管的使用壽命需求迫切。目前，受制于基礎(chǔ)理論、材料、工藝等多方面因素，我國火炮的身管壽命與歐美等發(fā)達(dá)國家尚存在不小的差距，因此更應(yīng)該在相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域加大研究力度和投入。針對如何進(jìn)一步提升火炮身管的使用壽命，筆者認(rèn)為，以下研究方向值得重點(diǎn)關(guān)注：

1)明晰火炮身管內(nèi)膛壁面的燒蝕磨損規(guī)律?；鹋诎l(fā)射瞬間存在熱、化學(xué)和機(jī)械的耦合作用。在這個(gè)復(fù)雜過程中，燃?xì)馀c身管內(nèi)膛壁面間的瞬態(tài)湍流對流換熱特性，未燃的固體顆粒對內(nèi)膛壁面的輻射傳熱特性，火藥燃?xì)饨M分與不同炮鋼材料及不同身管鍍層間的化學(xué)反應(yīng)侵蝕過程，鍍層表面裂紋產(chǎn)生及后續(xù)的侵蝕破壞行為需要進(jìn)一步研究。這其中，采用精確化建模理論結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的研究方法尤為重要。

2)遴選可行延壽方法并多措并舉開展科研攻關(guān)。在改進(jìn)發(fā)射藥方面，積極開展含富氮類添加劑和黑索金的發(fā)射藥論證和研制工作，拓展含鉀鹽的固體緩蝕劑和納米緩蝕劑的應(yīng)用，同時(shí)綜合考慮發(fā)射藥爆溫、緩蝕效果與做功能力的匹配關(guān)系，優(yōu)化發(fā)射藥選材、成分及配比，從而兼顧抗燒蝕性及武器的內(nèi)彈道性能；在內(nèi)膛表面處理方面，研究可以替代鉻的金屬合金或金屬陶瓷鍍層材料，重點(diǎn)攻關(guān)適用于火炮身管的爆炸噴涂、磁控濺射及化學(xué)氣相沉積技術(shù)，加緊研制相關(guān)設(shè)備，同時(shí)進(jìn)一步優(yōu)化鍍覆工藝；在炮鋼材料改進(jìn)方面，在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域多下功夫，努力開展復(fù)合材料身管研制并提高炮鋼冶煉、精煉及鍛造工藝；在工程應(yīng)用方面，聯(lián)合具備理論研究優(yōu)勢的高校、研究所和具備工程實(shí)踐優(yōu)勢的軍工企業(yè)、試驗(yàn)場加快開展試驗(yàn)驗(yàn)證。此外，積極探索可行的身管延壽新理論、新方法、新技術(shù)，可為取得火炮延壽技術(shù)突破貢獻(xiàn)力量。

3)探索并發(fā)展磁控等離子體抗燒蝕技術(shù)。該延壽新技術(shù)利用磁場和火藥燃?xì)獯帕黧w之間的相互作用，能夠有效抑制火藥燃?xì)庀蛏砉鼙诿娴膫鳠崃?，降低身管壁面的燒蝕，為身管延壽提供了新的可行途徑。

未來的研究重點(diǎn)在于：

1)準(zhǔn)確求解火藥燃?xì)獯帕黧w的電導(dǎo)率等輸運(yùn)參數(shù)，為磁場下的傳熱抑制機(jī)理研究提供理論基礎(chǔ)和參數(shù)依據(jù)；

2)綜合考慮內(nèi)彈道過程、火藥燃?xì)鉄犭婋x過程、火藥燃?xì)獯帕黧w與內(nèi)壁面對流換熱過程，明確高溫、高壓、瞬態(tài)條件下磁場調(diào)控火藥燃?xì)獯帕黧w的傳熱抑制規(guī)律，從而明確最優(yōu)的電離種子添加和加磁方案；

3)進(jìn)一步突破發(fā)射藥電離種子添加、磁場施加與發(fā)射時(shí)序匹配、火炮身管延壽效果測試評估等關(guān)鍵技術(shù)；

4)工程化應(yīng)用中，進(jìn)一步解決電能供給、電磁兼容等問題。

本文可為發(fā)展火炮身管常規(guī)延壽措施和延壽新技術(shù)提供思路和啟發(fā)，進(jìn)而可為火炮延壽領(lǐng)域的相關(guān)研究人員提供參考和借鑒。