枪炮身管损伤行为与机理:::

第1章　绪论 1.1　枪炮简述 1.1.1　枪炮种类与特点 枪炮武器是以发射药为能源，用身管射击弹丸等战斗部的武器，广泛装备于陆、海、空各军兵种。通常，枪炮武器按身管口径的大小划分类别：20mm以下的称为枪械；20mm及以上的称为火炮[1]。其中，在射击过程中主要利用发射药燃气的能量或外部能源来实现自动装填弹药并连续射击的枪炮称为自动武器。通常用“枪炮”一词来统称火炮与自动武器[2]。 战争的多样性决定了枪械与火炮品种的多样性，它们的功能各有侧重，轻重梯次配置，和其他武器相互补充、优化组合，形成完整的装备和火力体系[3]。 枪械是步兵突击火力的重要组成部分，用于近距离杀伤敌方有生力量，压制火力点，攻击陆地轻型装甲目标、低空目标、小型船只，是进攻和防御中作战的有效武器，也是三军主要的自卫武器，具有机动灵活、不受地形气象条件约束、适应性强、勤务保障简便等特点[4]。枪械按枪管内膛结构可分为滑膛枪和线膛枪；按使用对象可分为军用枪、特种枪、猎枪、运动枪、教学枪、防暴枪等；按作战用途可分为手枪、步枪、冲锋枪、机枪、特种枪等；按结构和动作方式可分为半自动枪、全自动枪、转膛枪、气动枪等；按口径大小可分为大型、中型、小型、微型；按重量可分为重型、轻型、微型[5]。枪械在名称上可同时反映以上分类方法，如重型机枪、微型冲锋枪、小型运动步枪等[6]。 火炮是战场上常规武器的火力骨干，配置于地面、空中、水上各种运载平台上[7]，进攻时用于摧毁敌方的防御设施，杀伤有生力量，摧毁装甲车辆、空中飞行物等运动目标，压制敌方的火力，实施纵深火力支援，为后续部队开辟进攻通道；防御时用于构成密集的火力网，阻拦敌方空中、地面的进攻，对敌方的火力进行反压制；在国土防御中用于驻守重要设施、进出通道及海防大门[8]。火炮具有火力密集、反应迅速、抗干扰能力强、可以射击制导弹药和灵巧弹药以实施精确打击等特点。火炮按用途分为压制火炮(榴弹炮、加农炮、火箭炮、迫击炮等)、高射炮、反坦克炮(含无坐力炮、单兵火箭)、坦克炮、步兵战车炮、航炮、舰炮和海岸炮等类型；按行走方式分为牵引炮、自行炮、轨道炮、铁道炮等类型[9]。 1.1.2　枪炮发展 我国是枪炮的发源地，*早于公元前5世纪战国时期就出现了抛石机，在北周和隋唐时期西传，先为早期的阿拉伯人使用，后传入欧洲。公元7世纪，唐代医药学家孙思邈发明了黑火药，其于10世纪初开始用于武器。抛石机除了抛射石块外，还抛射带有燃爆性质的火器，如霹雳炮、震天雷等。在抛射的能源以黑火药代替人力后，抛石机便发展为“炮”。 朝代更替轮回，火器也在战争中逐渐演化升级，人们发现把火药放在管通容器里引爆使火力从管口喷出，不但具有很强的方向性，而且火力集中，杀伤力大，具有随身携带、机动性强、移动方便等优点。公元1132年(南宋绍兴二年)，陈规镇守德安城时发明了火枪。火枪用竹筒制成，竹筒就是后来身管的雏形，内装火药，临阵点燃，通过喷火烧敌；据《宋史 兵志》记载，公元1259年(宋开庆元年)，寿春府“又造突火枪，以巨竹为筒，内安子窠，如烧放焰绝，然后子窠发出如炮声，远闻百五十余步”。突火枪这种竹制抛射火器同时具备了火药、身管、弹丸3个基本要素，可以认为它就是枪炮的雏形。随着抛射火器品种的逐渐增多，手持的火器演化为枪械，其他火器演化为火炮。 突火枪虽对所指方向人员具有一定的杀伤力，但是竹制身管强度太低，装药量稍大就有可能出现爆炸现象。战国中晚期，中国冶炼与制造铁器的技术工艺也已处于成熟阶段，为了保证火器使用的安全性，由铜、铁金属制造的火器管筒应运而生。枪或者炮统称为“铳”，明代学者邱浚的《大学衍义补 器械之利》中说：“近世以火药实铜，铁器中，亦谓之炮，又谓之铳。”[U1]有研究表明，在已出土的公元140年以前制造的、见诸报道的铜铳中，没有发现口径为4～9cm的铳，出土铜铳的口径，或者大于9cm，或者小于4cm。如果这种现象属实，则说明当时只生产两类铳：口径大于9cm和口径小于4cm的。前一类口径大、装药多、火力强、比较重，即后世所称的炮(管)；后一类口径小、装药少、火力弱、比较轻，即后世所称的枪(管)，同时表明当时枪管已经开始产生分化。这一时期，火器已广泛用于战场，被世人尊称为“铜将军”。 用铜、铁金属材料代替竹制材料制成“铳”，是枪管历史中的一次巨变。如今的枪管、炮管以及现代武器的绝大部分，都是在金属材料的基础上发展起来的。 13世纪，我国的火药和火器沿着丝绸之路传入欧洲。19世纪中叶以前的火炮(枪)一直采用前装式滑膛身管，射击球形弹丸，威力有限。1823年，硝化棉火药(无烟药)出现，使火炮和枪械的射程有了大幅度的提高。19世纪中叶，出现带螺旋膛线的线膛身管，实现了射击锐头圆柱弹丸的设想，膛线迫使弹头在枪管里产生螺旋向前运动，相对地延长了火药燃气给弹头做功的时间，使弹头获得较多的能量，初速提高，射程更远。弹头在炮(枪)管里做螺旋向前运动，在射出炮(枪)口后，依靠惯性仍然做螺旋向前运动，从而保持稳定的飞行轨迹，显著地提高了火炮与枪械的射击密集度和射程。 膛线发明后，火炮与枪械发展迅速，普奥战争爆发前，欧洲人在枪管后部设置弹膛，发明了枪身后端快速装填弹药的新结构，为现代武器(后装枪)的诞生创造了条件。 近一个世纪以来，随着科学技术的进步以及战争需求的推动，自动武器种类快速更新，作战性能不断提高。火炮的发展历程大致经历了三个阶段：牵引式、自行式、车载式。在**次世界大战中，战场上出现了坦克，在第二次世界大战中，战斗机、导弹相继投入使用，火炮因其抗击目标种类多、抗干扰能力强、反应时间短等优势，故其存在越发重要。冷战结束以后，全球范围内地区冲突的加剧和冲突事件的增多，对火炮的性能提出了新的要求，即高机动性、高射击精度、长寿命，在不损失战斗性能的同时向轻型、紧凑型发展。目前，随着导弹的迅速发展，尤其是精确制导导弹的发展，海上舰艇和陆基重要部位的防空要求日益提高。近年来，多场局部战争表明：高价值目标是战争空袭中主要和首先被打击的对象。防空导弹虽射程远、命中精度高，但难以应对超低空中飞行的武装直升机和许多低空突防的巡航导弹，故无法单独完成野战防空任务。小口径高炮具有火力猛、反应快、重量轻、机动灵活、隐蔽能力和抗电子干扰能力强、操作简单、维护方便、装备费用低等突出优点，成为低空突防的有效克星，在历次现代防空作战中，都发挥了重要作用，并取得了显著效果。1973年10月的第四次中东战争，以色列共损失飞机120架，其中被23mm高炮击落的占55%，在埃及军队突破“巴列夫”防线的一次战斗中，前三小时以色列军队飞机就被埃及军队23mm高炮击落18架。1982年，马岛战争中，马岛阿根廷军队的地面防空力量只有一个防空营，但它的30mm和40mm高炮却击落了英国军队11架飞机，占英国军队损失飞机总数的32%。1991年，在为期43天的海湾战争中，伊拉克军队的防空导弹只击落了10架敌机，占多国部队损失战机的16%，高炮击落敌机却有54架，占总数的84%，而且击落了2枚“战斧”式巡航导弹。1998年12月17日，美国及其盟友对伊拉克发动了代号为“沙漠之狐”的空中打击，美国军队在前两天射击了305枚巡航导弹，但其中的77枚被23mm高炮的密集炮火击落。1999年3月爆发科索沃战争，南联盟防空军在6天中，用小口径高炮击落13架北约飞机，包括F-117A隐形飞机，以及30枚巡航导弹。1999年5月南联盟防空部队击落了47架北约飞机、4架直升机、21架无人驾驶飞机和近100枚巡航导弹，其中80%以上被小口径高炮击落。 小口径速射武器是近程武器系统的重要组成部分。然而20世纪50年代西方国家曾一度削弱了小口径火炮的研究力度，将开发重点倾向于发展导弹，美国甚至将陆军高炮转为国民警卫队和预备队，导致60年代越南战争中大量的美军飞机被高炮击落，使得上述忽略高炮发展的观点被战争所否定。当今近程武器系统是各国争相发展的重点，而且开发海、陆、空三军通用的武器类型成为当前的趋势。70年代，特别是80年代以来，发达国家陆续开发出各种基于自动原理的小口径自动火炮，主要有以下几类： (1) 利用气退式(导气式)原理的瑞士厄利孔公司[U2]生产的KAB、KBB、KCB、KDF等多种口径自动炮； (2) 利用管退式原理的瑞典博福斯公司[U3]生产的L/[U4]70型40mm高炮； (3) 利用转膛原理的法国30mm“德法”航炮和俄罗斯HH-30型AK-230舰炮； (4) 利用转管原理的美国七管30mm GAU-8/A航炮和俄罗斯六管30mm AK-630舰炮； (5) 利用链式原理的美国休斯公司25mm M242[U5]、30mm XM-230式炮。 日本海军将领曾指出，没有近程武器系统就谈不上是海军。虽然该说法很极端，但近年来的战例充分说明了对小口径速射武器需求的迫切性。例如，由于缺少速射武器，1991年海湾战争中，美舰“斯塔克号”被伊拉克的法制“飞鱼”导弹重创；马岛战争中英舰“谢菲尔德号”被“飞鱼”导弹击沉等。此外，美国及其盟友对伊拉克发动的“沙漠风暴”行动中，**批导弹攻击[U6]就造成伊拉克的雷达站、指挥系统等重要部位几乎被毁。近年来，各国发展的近程武器系统详见表1.1。 表1.1　各国发展的近程武器系统 小口径速射火炮作为防御导弹、飞机等空中攻击的*后一道防线，对其性能要求迅速提高，当前世界各国都在发展适应自己需求的高性能速射武器。俄罗斯“卡什坦”系统中的AK-630舰炮就是典型代表之一，其射速可达到5000发/min。意大利研制的“万发”系统还解决了迟发火问题。德国的“德雷肯”系统和瑞士的“千发”系统都使用了转膛炮。现代战争对高作战性能速射武器和身管材料性能的要求如下： (1) 高射速。当导弹速度达到2Ma～3Ma时，需要速射武器系统多管总射速达到9000发/min[U9]，这就意味着身管材料达到射击极限时需承受更高的温度。 (2) 高精度。近程武器系统(弹/炮结合)，如表1.1中“卡什坦”系列中的AK-630，属于弹/炮结合系统，除了配备12管速射火炮以外，还配备8枚反导导弹，分别应对10km以内和外层攻击，对亚声速反舰导弹，命中率为95%，但应对“灵巧、智能”导弹则无能为力。更高的精度要求意味着必须进一步提高身管材料在射击过程中的抗变形、抗振动性能。 (3) 大威力。对于采用弹道末段蛇行和天顶攻击的智能导弹，即使是“弹雨”或“弹幕”等近程武器系统，命中的炮弹数目也将大幅减少，所以必须采用更大的射弹动能才能将目标击毁，这意味着身管将承受更大的膛压。 (4) 长寿命。当应对饱和攻击和连续攻击时，导弹可以形成目标流，即使速射武器可以连续射击，也不能保证自身的绝对安全，现在速射武器连续射击的时间普遍都有限制，作为重要部件的身管，长寿命是生存的前提条件。 美国的火炮专家施蒂弗尔[U10]指出，身管材料已成为速射武器发展的关键。现代化战争要求武器战斗性能提高，但武器寿命却缩短了，所以延长身管寿命成为亟待解决的问题。目前，制约火炮发展的*主要问题是身管材料的使用寿命偏低和不稳定，其中*关键的问题是如何认识制约和影响其使用寿命的本质因素，即炮钢的失效本质和寿命与炮钢性能、火药成分等之间的关系。研究发现，身管失效行为与机理是火炮发展的必然要求。 1.2　身管使用工况与身管材料 1.2.1　身管使用工况 枪炮是以火药为能源，利用火药在身管内燃烧产生的气体能量射击弹丸等战斗部的武器。身管不仅要承受高温高压燃烧火药气体的烧蚀作用，还要承受高速运动弹丸对它的机械磨损作用。射击时，在弹丸沿内膛加速的几毫秒内，火药爆燃产生的高温火药气体，使身管内膛瞬间达到很高的温度和压力。内膛燃气瞬时温度可高达2500～3800K，此温度取决于