第四章 炮身部分
J·W·瑞安
[英国]
[出自《战场武器系统与技术·第2册 身管炮与无控火箭》]
1981-1985
引言 火炮的外观及其组成部件视炮种及其用途而异。尽管有这些差别，然而所有火炮都是按照几乎相同的方法制造的。火炮有两个或两组主要部件，就是炮身部分和炮架部分。炮架部分用于支承炮身和保持火炮射击时的稳定性。炮架部分包括瞄准装置，在某些情况下它还可作为运送炮身部分的手段。本书将在第五章对炮架部分作详细介绍。炮身部分为发射药燃烧产生的压力提供容器；它使发射药燃烧产生的能量安全地按预定方式传送到弹丸上；它还具有赋予弹丸方向和稳定性的手段。本章内容是讲解炮身部分的组成并介绍其主要设计特点。构成炮身部分的主要部件是身管及其附件，炮闩装置和击发装置。 身管 膛线 身管实质上是一根发射时供弹丸通过的钢管。身管内表面称作炮膛，通常刻有凹线或膛线。也有没有膛线的滑膛身管，但它们主要用在坦克炮上，特别是用在发射尾翼稳定弹丸的火炮上。炮膛的膛线是按螺旋形刻制的，有等齐和渐速两种缠度。 带等齐缠度膛线的炮膛，其特征是阴线相对于炮身轴线的斜度是个常数。炮身轴线是沿炮膛中心贯穿炮膛全长的一条假想线。渐速膛线是指阴线与炮身轴线间的斜度是不断变化的，越向炮口斜度越大。渐速膛线，在身管内的火药气体压力达到最高点时，可用于减少弹带作用到阳线上的压力，从而保证弹丸在离开炮口前能获得足够的转数。使用渐速膛线在理论上的好处是，比较短的身管不会降低弹丸飞行中的稳定性。但是，正如我们将在后面了解到的一样，在如何使身管的不同部位得到不同的压力的问题上还存在着一些相互矛盾的要求。 凸起的膛线称为“阳线”。不包括阳线深度的炮膛直径就是用于衡量身管、也就是武器的口径的尺度。膛线的用途是在弹丸穿越炮膛时使弹丸旋转。弹丸上配有用比膛线软一些的材料制成弹带。当弹丸向前运动时，膛线嵌入弹带，膛线在弹带上刻出的凹槽的形状与阳线断面相应。弹带上被刻出的凹槽被迫沿膛线扭转的路线运动，从而使弹丸旋转。在决定膛线深度时必须解决两个彼此矛盾的要求。一方面，深阴线更有利于为弹丸穿过炮膛时导向并能减少膛线的磨损。但是另一方面，浅阴线更容易使弹带嵌入膛线，而且由于弹丸飞出炮口时留在弹带上的刻槽较浅，因而可减小弹丸在飞行中的空气阻力。 射击时的膛内现象 射击时在火炮内发生的一系列现象正是弹丸膛内运动即内弹道学所要研究的课题。内弹道学还包括对发射药弹道性能的研究，有关这方面的情况请见本丛书第3册。 火炮发射时，燃烧的发射药产生具有很高压力的气体，使弹丸加速穿过炮膛，直到以预定初速离开炮口。初速是具有一定质量和形状的弹丸最终要达到的整个射程的基础。在设计火炮时必须进行计算以保证最正常、最有效地产生所需要的初速。发射装药产生的能量用于完成好几种工作。大部分能量用于赋予弹丸速度。能量还消耗在做下述功上：使弹丸旋转，克服弹丸与膛壁之间的摩擦力，使发射药和发射药气体在膛内运动以及使火炮后坐部分后坐。有些能量还以热能的形式损失在身管、炮尾、弹丸和药筒(如果使用药筒的话)上。 在装药被点着的瞬间，发射药开始在一个封闭的空间燃烧。这个空间前有弹丸的弹带封闭，后有火炮所采用的紧塞装置封闭，紧塞装置用于防止火药气体从后面逸出。在发射药气体的压力达到能使弹丸运动的程度之前，发射药的燃烧速度与膛压增加的速度是成正比例的。所谓“弹丸启动压力”就是指使弹丸开始向前运动的压力。当弹丸沿身管向前运动时，供发射药气体占用的空间增大，因此膛压的增加速度减小。当空间增加所导致的压力的增加相等时，膛压达到最大值。自此以后膛压开始下降，同时弹丸却在继续加速，甚至在发射药全部燃尽后弹丸仍在继续加速，只是加速度逐渐减小，弹丸一出炮口即变为减速。图4.1说明膛内压力、弹丸膛内行程和弹丸速度间的关系。 
图4.1 压力/速度/空间曲线
弹丸在膛内的运动大约要消耗掉发射药产生的能量的25-35%。其余的能量都在弹丸离开炮口后排入大气。从图4.1可以看出，通过增加身管长度以延长发射药气体作用于弹丸时间的方法，还有可能使弹丸初速增加。只是用这种方法增加初速也有其缺点，因为在身管增长超过一定限度后所增加的初速与所带来的缺点相权衡，是得不偿失的。图4.1也说明了这一点。从此图可以很明显地看出，从发射药燃尽点开始，弹丸速度的增加是越来越平缓的。
在火炮设计中发射药在膛内的燃尽位置是很重要的。如果燃尽位置在膛内过于靠前，则很可能会增加耀眼的炮口焰，从而增加被敌人发现的可能性。如果燃尽位置在炮口外，则炮闩在发射药全部燃尽前有被打开的危险。在设计火炮及其装药系统时，必须非常注意这种可能性，特别是对发射后自动开闩的火炮。使燃尽位置适当靠后还有其他一些理由，其中比较重要的是，这样做能减小各发弹之间的初速差异。很明显，发射药在膛内的燃尽点还会影响应力对身管的作用位置和大小。只要考虑到即使是一门105毫米野战炮要以每秒几百米的速度把弹丸推出炮口，其膛压也会大大超过20吨/平方英寸，这就很易理解应对身管应力问题给予极大重视的道理了。
身管特性 身管寿命 火炮身管所要具备的主要特性是寿命长、强度大、刚度强、重量适度和重心合适。身管的使用寿命应尽可能长，这就是说身管在由于磨损而不能以所要求的初速正常地发射能稳定飞行的弹丸前，应能发射大量炮弹。然而，在要求身管具有较长寿命方面，有一些考虑是相互矛盾的。采用身管特别冷却技术、冷燃发射药或价格昂贵的膛面光洁材料来增长身管寿命，都是很不经济的。这里需要优先考虑的是作战要求，特别是所需要的发射速度和估计多久换一次身管最合适；但是，还必须将这些作战方面的要求与制造成本和难易性相权衡比较。 强度 不言而喻，身管强度必须能承受射击应力而不致在作战情况下出现故障。这种强度要求可通过许多方法来实现，如在钢中添加合金元素、给身管施加预应力或依靠身管本身的设计来实现。一般是综合采用这三种方法。身管的重量主要取决于对其强度的要求，但是也考虑刚度和整门火炮射击时的稳定性。 刚度 身管必须具有足够的刚度，或通常所说的“梁强度”，以使其在自重作用下不致弯曲。这一特性对长身管火炮来说尤其重要。在身管使用的钢材品位确定以后，身管的梁强度要求通过选择合适的身管外形来满足，即，使身管的厚度从炮尾到炮口逐渐减薄。 重心 现代火炮多采用后耳轴。身管重心离耳轴越远，由于身管和炮尾不能绕平衡点旋转而引起的身管的不平衡力矩也越大。因此，身管重心尽可能靠近耳轴是最理想的。现代火炮一般使用平衡机来解决这个问题。详细情况可见第五章。另一个解决办法是增加炮尾重量，形成配重平衡。这种方法的缺点是增加了火炮重量，然而重量增加也有好处，即可以提高火炮的稳定性。关于火炮稳定性的问题请见第五章。身管的炮口端过重倾向还可以通过调整身管全长的重量分布来解决。但是，一般认为，其它一些因素包括前面几段提到的那些问题在内，在决定身管外形上更为重要。 身管结构 缠丝身管 缠丝身管现在已经过时，但是它使用过的工艺还是值得注意的。用这种工艺制造身管就是把钢丝紧紧地缠绕在身管上。从炮尾往前缠丝部分的长度取决于承受射击应力的需要。缠丝身管具有某些优点，主要优点是所使用的钢丝的强度可以在生产过程中严格控制。另外，钢丝中的任何故障往往只具有局部影响，与身管上产生裂纹不一样。这种工艺的缺点是，需要把某种形式的外管或被筒冷缩到身管上，以使身管具有足够的梁强度。整个工艺过程是比较耗费时间的，而且费用昂贵。使这种工艺过时的主要原因是现在已有更好的制造预应力身管的工艺。 套筒身管 制造身管的另一种方法是把两个或两个以上的圆管套在一起，形成套筒式身管。套装之前，外管的直径应稍小于内管。把外管加热后，再把冷内管装入外管里。冷却后两个管子的贴合面被压在一起。结果内管所受的切向压缩应力和外管所受的张力在两个管子间产生了压力。这种套筒身管的总的效果是，身管内腔表层存在的压力使这种身管比用相同厚度的单个金属管做成的身管能承受更大的射击应力。当然这种比较只有在这种单层金属身管没有采用其它方法如自紧工艺进行预应力处理时才是正确的。自紧工艺将在本章后面部分介绍。套筒身管技术过去曾经显示出某些优越性，特别是在制造极大型身管时用其他方法提高身管强度在当时存在着不可克服的制造困难。 松装身管或松装衬管 另一种增加身管强度的方法是在身管的某一部分上安装被筒以提高身管承受高应力部位的强度。被筒还对身管起纵向支撑作用。“松装身管”一词容易使人误解，其实身管和被筒是紧密结合件，两者被牢牢地固定在一起，以防止弹丸在膛内运动时身管在被筒中旋转。松装身管的好处在于更换身管时和把身管分解成驮运件时，身管比较容易卸下。松装衬管是松装身管的前身。两者的主要不同是整个松装衬管全被被筒套住。因此，与松装身管比较，松装衬管更加笨重。发射18磅或25磅弹的速射火炮使用松装衬管，而其后继型火炮则使用松装身管。 组合身管 组合身管是由各段身管组合而成的，除身管各段用不同牌号钢材制成外，与松装身管相似。身管各段的钢号选择取决于其所承受的发射药气体压力的大小。组合身管可以做成线膛；也可以把炮口端做成滑膛，以延长身管长度，增加初速。这种似乎很复杂的身管的好处是可根据内膛的磨损情况来更换身管。组合身管的缺点在于它的复杂性，在于如何保证各段身管的完全密封，还在于身管的各相邻两段间如何做到准确的膛线对接。然而，组合身管已成功地为高射炮和反坦克炮生产出来。与上述各种身管制造技术一样，组合身管目前也已被单肉身管所取代。 单肉身管 单肉身管用整段锻件制成，没有任何被筒或衬管。由于单肉身管容易制造和冶金学的发展为身管的制造提供了能可靠地承受极高膛压的合金钢材，因此单肉身管技术目前已成为普遍采用的技术。制造单肉身管的现代工艺是非常快速的。现有的旋锻机床已经能把空心和实心棒钢经热锻或冷锻做成长达十米以上的身管。由于使用数控系统以程控完成整个操作，整个工艺过程已不象过去那样依靠操作者的个人技术。锻压成一根105毫米身管只需要十来分钟。在使用冷锻工艺时，膛线成形也可以包括在身管成形工艺中。这时可使用一个具有所需要的膛线深度和缠度镜象的芯棒装置来使身管成形。 如果钢号一定，要想在制造单肉身管时不施加预应力而获得更大强度，就必须加厚管壁。增厚管壁的做法除使身管更重、使其价格更贵外，其效用也是很有限的。身管钢材的外层与内层相较往往应力不足。当身管直径与炮膛直径之比超过某一比值时，强度的增加将是有限的。由于身管壁在承受膛压时压力大小不均，因此内表面受到的压力会达到极限，而外层受到的压力却极小，这是单肉身管的基本缺点之一。增大身管强度的措施是使用具有更大抗张强度的钢材或者给身管施加预应力或者两者兼施。目前被广泛接受的方法是通过自紧工艺取得预应力身管。 自紧工艺 身管所受应力 共有五种不同类型的应力作用在身管上。它们是梁应力、径向应力、圆周应力、纵向应力和扭转应力。梁应力是身管自身的重量和长度作用在身管上而引起的一种挠曲应力。因此，身管必须具有足够大的刚度以防止自重引起的弯曲。发射时，发射药气体在膛内向身管壁施加一个向外的径向应力。发射药气体还产生一个圆周应力，圆周应力沿切向作用在炮膛圆周的任何一点上。当弹丸在膛内运动时，它还产生另外两种应力：其一是纵向应力，其二是扭转应力。纵向应力是由弹带在膛内的向前运动和弹带前后的压力差引起的。纵向应力的作用是纵向拉长身管，但是这种应力的作用范围很小，只限于局部且随弹丸向前移动。与弹丸的膛内运动有关的第二种应力是扭转应力。扭转应力是由于弹丸在膛内运动时扭转而引起的。扭转应力产生扭转作用，其方向与膛线缠度方向相反。 
图4.2 身管中的应力
要弄清自紧工艺到底是谁发明的是很困难的。大多数人认为是法国人在20世纪初期发明的；但是有些法国人却认为早在19世纪60年代就发明了，这就更难证实了。显然“autofrettage”(自紧)一词源出法文，其英译为“self-hooping”。不管人们对该技术的源起日期如何怀疑，第一门自紧火炮是1913年法国人制造的140毫米火炮，则是确实无疑的。
现将自紧工艺过程概述如下。首先选择一根内径略小于所需要的口径的钢管，然后从里面对钢管施加足够大的压力，使其内膛扩大。在这个过程中钢管内层金属被伸展超过其弹性极限。这意味着内层金属已伸展到在膛内压力一旦消失后不能恢复其原状的程度。在施加内压过程中钢管外层也会伸展，但内压的大小被控制在不使钢管外层金属伸展超过其弹性极限的范围。之所以出现这种现象，是因为管壁应力分布不均；邻近压力源的金属层所受应力最大，到钢管外层应力显著减小。在弹性极限内应变(或者说尺寸变化)与施加的压力成正比，因此钢管外层的伸展小于内层。由于外层金属扩展是在弹性极限内，因此外层金属力图恢复原状，而同时被永久性伸展的内层则极力阻止其这样做。结果使内层金属处于外层金属的压缩之下，非常象外层金属被收缩在内层上一样。下一步是对已应变的内层金属进行低温热处理，使内层金属的弹性极限至少提高到与在自紧工艺的第一阶段所施加的压力一样大。最后是再次施加内压以试验身管弹性。但是这次施加内压时必须非常小心，必须保证内层金属的扩展不超过其新的弹性极限。
采用自紧工艺的第一个好处是，在最大发射压力一定时，可以选用一种价格比较便宜的低牌号钢材做身管。另一个好处是，在钢材牌号一定时，可减薄身管壁厚，从而可减少炮重并降低成本。例如，一个外径比内径大50%的身管，经过自紧处理后其强度相当于将壁厚增加约50%的同样的非自紧单肉身管。自紧身管的再一个好处是，若对身管内膛加压，则有可能弥合内膛表面的细微裂缝，从而减少身管在使用期内因疲劳而发生故障的可能性。就较轻型身管而言，其疲劳寿命可增加一倍以上。自紧工艺有几种不同的工艺形式，其主要区别是在对炮膛施加内压的方法上。这些工艺方法可分作两类，即液压自紧和挤压自紧。
液压自紧工艺 液压自紧工艺是通过往膛内引入高压液体来获得所需要的应力的。通常使用的高压液体是甘油和水的混合液，因为这种液体在高压下具有稳定性。国家不同则使用的液压自紧装置也有所不同。图4.3为美国使用的一种液压自紧装置。 
图4.3 液压自紧装置
某些高强度钢材的屈服点接近70吨/平方英寸，使这类钢材获得必需的液压力是很困难的。即使能产生这样的压力，在密封自紧装置上也存在很大的问题。另外，液压自紧还有一个先天不足之处，那就是由于沿身管长度上壁厚不同，因此就会产生不同的预应力。前面说过在身管全长上具有同样壁厚是不必要的，因此如果火炮重量是个问题，则就非常需要在自紧后的抛光工序中减小身管厚度，越到炮口减的应越多。挤压自紧工艺是克服上述某些困难的有效方法。
挤压自紧工艺 挤压自紧工艺就是用液压顶杆迫使一个体积比钢管内膛大的冲头或心轴通过内膛。使身管内层产生超限应变所需要的压力的大小，取决于身管所需要的钢材牌号、身管壁厚、身管内膛初始直径与冲头的直径差以及内膛与冲头的接触面积。就产生同样大的预应力而论，推动冲头穿过身管内膛所需要液压力比液压自紧所需要的液压力更容易获得。另外，挤压自紧为设计师提供了仅对需要施加预应力的那段身管进行自紧处理的能力。图4.4中的示意图说明了挤压自紧工艺原理。 
图4.4 挤压自紧工艺示意图
身管磨损 尽管在身管制造技术上取得了若干进展，但是身管磨损问题仍然存在。身管磨损起因于膛内发射药产生的高温、高压气体在膛内的化学作用和弹带穿越身管时的摩擦作用。磨损的结果会造成相对于射弹起动压力的初始阻力的减小，从而使最大膛压下降，使初速减小。由磨损引起的初速减退量是可以计算出来的，并且可在火炮上进行修正或在计算射击诸元时进行修正。如果身管磨损过大，就有可能出现没法接受的初速偏差。此外，如果膛线磨损严重，弹带可能失灵，弹丸飞行就会不稳定。如果弹丸不能稳定地沿弹道飞行，就会使空气阻力增加，从而产生近弹。这种后果是很难预测的，因而不能象修正初速减退量那样进行修正。 由高温、高压发射药气体造成的磨损称为烧蚀。烧蚀常常是局部性的，在这种情况下烧蚀被称为烧痕。在身管的有缺陷处，烧痕就会出现并会很快扩展。在弹带和膛线之间密封不严的地方，也会出现烧痕。还有一种烧蚀叫环形烧蚀，环形烧蚀表现为在速射火炮药室中的药筒前沿处身管局部的圆形扩展。由弹丸与炮膛表面摩擦形成的磨损叫磨蚀。磨蚀将会逐渐磨掉炮膛表面的金属，阳线上使弹带旋转一端的机械摩擦将逐渐把阳线磨圆。用改变弹药设计、减少膛内摩擦的方法可以防止磨蚀。通常，烧蚀是最严重的一种膛内磨损，特别是对射程远、射速高的火炮来说。 可选用下面四种方法的一种或多种来解决炮膛磨损问题，这四种方法是：使用防磨损添加剂在炮膛表面形成绝热层、使用冷燃发射药、使用抗烧蚀性更高的钢材和使用身管冷却技术。使用防磨损添加剂的主要问题是，最好在每发弹发射前都放添加剂；当然，这是可以做到的。可把合适的添加剂如硅酸镁和石蜡的混合物放在弹丸后边的药室中。射击时，身管内表面将覆盖一层添加剂，它可以保护炮膛免受高温发射药气体的烧蚀。直到今天，使用防磨损添加剂的效果都是非常令人满意的，但是还需要对其作进一步的研究。使用冷燃发射药会给火炮设计师带来其它约束，因为为了盛装更多的冷燃发射药以获得一定的最大膛压，就必须增大火炮药室。与此相似，使用耐烧蚀材料做身管也同样有其缺点。大多数耐烧蚀材料，如钼和铬，都很昂贵，而且加工不易。镀铬身管是近年来广为研究的课题，但是弹丸的摩擦作用能使铬层遭到破坏，因此镀铬身管直到今天仍主要用于小口径武器。 剩下的唯一的一个选择是采用某种方法使身管冷却。就炮兵武器目前存在的射速、特别是持续射速越来越高的趋势来说，对解决身管过热问题的要求已变得越来越紧迫。解决这个问题的途径有两个，就是水冷和气冷。水冷已经成功地应用于高射炮和舰炮，因为对这两种火炮来说，重量不是应考虑的主要因素。这种水冷方式对提供近程和中程支援的火炮来说是成问题的，肯定不适用于牵引火炮。为使水冷有效，冷却水或其它冷却剂必须紧靠身管。冷却系统必须能为来自某种形式的蓄水器的冷却水提供循环条件并向蒸气提供排放条件。水冷应用于自行火炮是可能的。在自行火炮上，可把水冷系统作为自行火炮的一部分，但是水冷系统占用空间并会增加自行火炮的重量和复杂性也是一个问题。气冷是解决这个问题的很有吸引力的途径，因为气冷与水冷比较，其系统的结构简单而重量轻。 火炮采用气冷的困难之处是身管散热面积过小，常常不能足够快地降低温度以抵销由于持续射击而增加的热量。以一门105毫米轻型火炮为例，先以每分钟四发的射速连续射击15分钟，接着再以每三分钟四发的射速持续射击15分钟，这时其身管温度可达160℃左右。甚至在射击中断了90分钟以后，身管温度仍有60-70℃，视当时的环境温度而定。显然，如果再以同样的射速进行射击，身管温度将会更快地达到并超过160℃。在炮膛表面温度超过675℃左右时，烧蚀速度将会稳定地增加；超过980℃后，烧蚀速度将显著加快。当然，使用防磨损添加剂和抛光炮膛表面会部分地解决这个问题。尽管通过上述措施可降低身管温度，但是对高性能火炮来说它产生的热量是很大的，身管的最高膛温主要是由火炮一天中在战场上发射的所有炮弹造成的。对于现代炮兵武器系统来说，尤其如此，可能要求它们每天发射近千发炮弹，至于是否能进行爆发射关系不大。 曾经对通过增加散热面积来冷却身管的方法进行过试验。在这些方法中包括使用散热片、散热环和散热肋等。一般地说，增加散热面积的做法在火炮设计中还没有引起重视。在身管上装带槽或带翼片的被筒并在身管和被筒间注入冷空气是可以做到的；但是这样做又会带来使火炮增重和变得更复杂的缺点。身管厚度的任何增加肯定也会有助于降低炮膛温度，因为增厚将增加身管的容热能力。遗憾的是，对提供近接支援和纵深支援的炮兵武器来说，它们不能采用使自己增重的方法。 对炮膛温度的考虑远远超出了磨损问题。炮膛温度也涉及安全问题。在发射速度很高时，炮膛温度也会很高，就有可能引起发射装药爆燃或自燃，甚至在极端条件下会引起弹丸爆炸。随着火炮发射速度的日益提高，在火炮上设置膛温监测装置是非常可取的。美国M198式155毫米榴弹炮就配有这种测温装置。 身管的疲劳问题 最新一代的炮兵武器既需要具有比以往更远的射程，同时又需要足够轻便，以满足战略、战术和战场机动性要求。为满足射程远、重量轻的要求，身管都是用具有更高屈服强度的钢材制造的，以适应能产生更远射程的高膛压。炼制屈服强度约为1200兆帕的钢材是可以做到的，但是这会大大降低其断裂韧度。采用这样的钢材制造身管已使这样一种趋势越来越严重：使身管因烧蚀和磨蚀而报废之前就会提前报废。换句话说就是，现在使用的身管由于受到低于抗张强度的应力水平上的应力的反复作用而发生疲劳和断裂的情况越来越多。 在多数火炮的炮膛中都可以发现膛面上有密如蛛网的裂纹和龟裂现象。在目前通常使用的高膛压的作用下，龟裂会很快地扩展成较大的裂纹。这种疲劳性龟裂最终会在射击时造成身管的严重损坏。不难理解，这种现象正越来越引起重视，显然这个问题有两个方面。其一是要预计在身管疲劳成为严重问题之前火炮能发射多少发炮弹。其二是确定哪种钢材的断裂韧度最佳和抑制疲劳裂纹生成速度的能力最佳。目前存在的困难是不能提供精确的数据，主要原因是对温度对于自紧身管疲劳的影响和裂纹的扩展还缺少充分的资料。 炮闩装置 概述 炮闩装置是一种闭锁炮膛药室的机械装置。它具有下述功能：承受火炮射击时发射药气体压力的向后推力和容纳击发机构。在后膛装填火炮中，炮闩还具有密闭火药气体的功能。在速射火炮中，炮闩还用于在药筒装填后抵拉药筒和在火炮射击后抽出药筒。在设计炮闩时必须使它能满足下述五个要求。在各种气候和作战条件下使用时，它必须作用可靠、经久耐用。它必须操作安全，特别是必须保证开关闩可靠——关闩不到位火炮不能发射，射击中不能突然开闩。其设计必须保证装填、退弹和发射迅速而简便。在满足上述各项要求的情况下，炮闩的构造应尽可能地简单。最后，炮闩的设计还必须使其适于大量生产和易于更换部件。 炮闩的种类 炮闩可分为两种，一种是螺式炮闩，另一种是楔式炮闩。螺式炮闩一般用于后膛装填火炮，楔式炮闩一般则用于速射火炮。在这两种基本的炮闩中还有不少变种。此外，还可以为后膛装填火炮设计楔式炮闩。本章将讨论各种不同的炮闩。 螺式炮闩 
图4.5 螺式炮闩
螺式炮闩的主要部件见图4.5。螺式闩体装在固定在炮尾一侧的锁扉上，可以在开、关闩时自由回转。在图4.5中，锁扉是固定在炮尾右侧的；但是需要时，它也可以固定在能在装填作业时进行上下转动的地方。关闩时，闩体上的螺纹与炮尾内表面上相应的螺纹相啮合。闩体的螺纹面被分作若干偶数区段，每隔一个区段将螺纹切除。炮尾内表面上的螺纹也是同样处理的，只是被切除螺纹的区段正好与闩体上被切除螺纹的区段彼此错开。在通过闩柄关闩时(见图4.5)，闩体沿弧线转动直到闩体和炮尾上的螺纹都完全啮合为止。这种形式的螺纹被称为“断隔”螺纹或“开槽”螺纹，它是现代螺式炮闩上最常用的一种螺纹。这种螺纹的螺距必须保证产生足够的摩擦力，以防止闩体在火炮射击过程中转动或打开。为了一压闩柄就能使螺式闩体解脱和打开，炮闩上还需配有某种形式的传动装置。
在图4.5中没有画出一般螺式炮闩的紧塞装置，但是在图4.6中却可以看到。象这样的后膛装填火炮，发射装药多装在某种形式的可燃物中，一般是装在药包中。紧塞具是一种用氯丁橡胶做的弹性垫，通常以玻璃纤维作填料。弹性垫装在锥形座中，通过一个带中心孔的螺杆和蘑菇头固定在螺式闩体上。发射时火药气体迫使蘑菇头后移，把弹性垫挤压在闩体前端上；火药气体还迫使弹性垫四向伸张，从而密封住向后逃逸的火药气体。
图4.6 后膛装填火炮的紧塞装置
与楔式炮闩比较，螺式炮闩的优点在于，当两者的性能相同时，其重量要轻得多，原因是在发射时火炮气体产生的纵向应力分布在所有螺纹上。螺式炮闩的另一个主要优点是，紧塞装置是这种炮闩的一个组成部分，使火炮不再需要药筒了。但是，螺式炮闩也有缺点：其一是由于比较复杂，因此难以制造；其二是操作缓慢，不适用于自动和半自动装填的火炮。
楔式炮闩 楔式炮闩的主要部件包括：闩体、炮尾、闩柄、抽筒子和保险器。闩体可设计成立楔式或横楔式两种，即在炮尾中作垂直滑动或水平滑动的两种。图4.7为垂直滑动的闩体。这种闩体也叫下落式闩体。 
图4.7 立楔式闩体
楔式炮闩的主要优点是，结构简单，使用安全，操作容易而迅速。说它比较安全是因为关闩时它把装填手的手卡住的机会比螺式炮闩少。楔式闩体的横向或垂直移动能安全地把放在炮尾入口处的人手推开。楔式炮闩结构简单和操作迅速的优点使它很适用于自动操作。
现用的楔式炮闩的缺点是，它需要使用药筒来起后紧塞作用，而且为了在发射时能承受一定的后推力，它需要比螺式炮闩重，其原因将在本章稍后处叙述。楔式炮闩已广泛地使用于发射速度较高的火炮，特别是口径为105毫米或小于105毫米的火炮。对这样的火炮来说，药筒重量不影响已达到的射速。
使用立楔式炮闩还是横楔式炮闩取决于在火炮的整个高低射界内装填作业所需要的空间的大小。立楔式炮闩通常能为装填作业提供更大的活动范围，因为它活动的平面影响装填的机会比较少。另一方面，横楔式炮闩只需要较小的操作力，而且不管身管高度如何所需要的操作力都是一样的。横楔式炮闩和立楔式炮闩目前仍然都在使用中这一事实说明，还没有出现二者择一的趋势。
与楔式炮闩配用的炮尾有封口和开口两种类型，如图4.8所示，封口炮尾的强度比开口炮尾要大得多，因为封口炮尾的形状更有利于提供承受射击时产生的作用力所需要的刚度。这两种炮尾都刻有导槽，导槽用于在开关闩时与闩体上的肋条相配合。肋条和导槽稍呈倾斜，使闩体在关闩时可稍向前移。这一设计特点可确保闩体紧紧地抵住药筒。这种设计可采用一对或多对导槽和肋条。在开口炮尾中，其表面承受向后的射击作用力；但在封口炮尾中，只有在发射过程中肋条与炮尾接触时，其表面才承受向后的射击作用力。
肋条的数量越多，向炮尾上分配射击作用力的止推面的数量也就越多。具有多个止推面的楔式炮闩的缺点是，按精度公差加工止推面以确保所有止推面都承受部分射击作用力，是很难做到的。不论止推面的数量多少，这种炮闩都不能与螺式炮闩的断隔螺纹分配射击作用力的效率相匹配。因此，作用力一定时，楔式炮闩必须比螺式炮闩重。
图4.8 与楔式炮闩配用的开口型和封口型炮尾
图4.9 速射紧塞装置
如前所述，速射紧塞装置就是一般楔式炮闩采用的紧塞形式。火药气体的后逸是通过将装药封闭在一个圆锥形金属药筒里来阻止的。这种药筒通常用黄铜或钢制成，具有足够的弹性，能在火炮发射时膨胀贴住药室壁，从而形成密封，并在发射后收缩，能很容易地从炮尾抽出。瑞典陆军在155毫米火炮上使用带铜底的塑料药筒。英军则多用全铜药筒，其铜合金为30%的锌和70%的紫铜。其他国家的军队特别是美军则一直采用钢制药筒。药筒的点火手段是装在药筒筒底中的底火。图4.9为速射紧塞装置的示意图。
增加射程的要求会带来高膛压，高膛压将使今后继续使用金属药筒出现困难。现代自紧身管可以承受的内压会使药筒发生过度应变，以致使抽筒极其困难。使用长药筒时会使抽筒问题更为突出。抽筒困难将会大大降低发射速度，结果会使作为楔式炮闩主要优点之一的操作容易而迅速被抵销掉。
解决药筒问题的一个主张是，保留楔式炮闩的优点而用药包式装药取代药筒。这样，就必须用其他方法来解决紧塞问题。例如，可通过在闩体内放置一个衬垫并使衬垫与固定在药室端面上的金属环或金属垫密贴来提供金属对金属的紧塞。这种设想已经应用到FH70式155毫米牵引榴弹炮上。
装在普通楔式炮闩中的抽筒子具有两种作用：一是使药筒在火炮发射后离开原位；二是抽出已经用过的药筒。在有些火炮上，抽筒子还用于将闩体固定在开闩位置上。抽筒子的设计应满足下述要求：
1. 其开始的运动必须平稳有力并且应比较缓慢，以使药筒离开原位；
2. 使药筒自药室中抽出时与炮膛轴线在一条直线上；
3. 应能使药筒离开原位，并从药室抽出，而不会损坏药筒底缘；
4. 其抽筒的最后动作应足够迅速，以能安全地把药筒从炮尾抛到所要求的距离处。
5. 开闩时，抽筒子不应出现反跳现象。
击发装置 击发装置按其操作形式可分作三类，即“击发”、“电击发”和“击发及电击发”三类。有些国家的军队还用“机械发火”作“击发”的代用词。美国人把击发装置称为击发机或击发锁。但是，美军与英军不同，不管是把击发装置称为击发机还是称为击发锁，它们都与火炮的紧塞方式无关。英军则把击发机一词专用于速射武器，而把击发锁专用于后膛装填武器。为了更能说明问题，本章将采用英军的叫法。击发机是通过击针撞击底火底部来使底火发火并引燃发射装药的。“电击发”机则是通过导线把电荷通到底火来点燃发射药。“击发与电击发”机，顾名思义是两种击发方式兼用。 在后膛装填火炮中，击发锁装在螺式闩体中心孔后边(见图4.6)。点火手段是位于闩体中心孔后边的点火管。击发锁靠击锤撞燃点火管。在引燃阶段，点火管点燃球形黑色火药，通过闩体中心孔再点燃发射装药。在速射火炮上，击发机装在闩体中，并且采用击针(电击发机则用绝缘击针)点燃装药。一拉发射杆或一拉拉火绳，击针即自闩体前端面冲出，撞击装在药筒底部中央的底火上(见图4.9)。所有的击发机和击发锁都装有某种安全装置，而电击发机则有使电路中断的装置。击发机在击发后需要拨回击针，以使其再次处于待发状态。恢复待发状态可自动完成，可手工完成，也可采用“脱扣装置”完成。使用脱扣装置的好处是，能使击发装置总是处于非击发状态。拉发射杆时，脱扣装置使击针前冲并立即将它拉回，使它停在安全位置。美国的M2A2式105毫米榴弹炮(速射火炮)就是使用这种具有脱扣作用的击发锁。另一种采用同样原理的美制击发装置是一种击针和击锤式装置。这种击发装置用于如美国8寸(203毫米)榴弹炮之类的后膛装填火炮上。 依靠击发和电动操作的击发装置都是很便于使用的。与击发机比较，电击发机有如下优点： 1. 构造更简单，重量更轻，而且结构更紧凑； 2. 更容易对其功能进行检测； 3. 对射击反应更快，其反应时间为0.001秒；而具有脱扣作用的某些击发机的反应时间为0.5秒； 4. 机械作用可靠，不易磨损。 与击发机比较，电击发装置的缺点是： 1. 电接点必须干净； 2. 对气候条件比较敏感，容易受潮和进入砂土。 排烟器 发射药燃烧产生的烟雾如果在炮闩打开后任其自然地进入乘员舱，就会给自行火炮带来很多问题。排烟器装在自行火炮的身管上，能确保烟雾全部或大部从炮口排出。排烟器是套装在身管某段外表面上的圆筒，能在身管与筒壁间形成一个蓄气室。身管上钻有喷孔或气门，使气流得以进入蓄气室。喷孔的钻孔方向略为向炮口一侧倾斜。火炮发射时，在弹丸后边沿身管流动的发射药气体经喷孔流入蓄气室。当蓄气室内的压力与炮膛膛内压力相等时，发射药气体停止流入蓄气室。 弹丸自炮口射出后，膛内压力迅速下降至大气压力，结果使蓄气室内的气体被迫经喷孔向炮口回流。被迫从蓄气室向炮口回流的气体能清除残留在药室和排烟器后边身管内的气体。排烟器蓄气室的大小以及喷孔的斜度和大小必须设计得能保证使清除周期在开闩前开始。 图4.10说明一种典型的排烟器的工作过程。
图4.10 排烟器的工作情况
炮口制退器 概述 作为一种减小后坐的手段，炮口制退器最早出现在19世纪中叶，但是由于反后坐装置的出现，它曾一度失宠。约在第二次世界大战时，炮口制退器又再次出现在法国火炮上。所谓炮口制退器就是装在身管炮口端的一个短的圆筒形附件。它有一个供炮弹从中飞出的、与炮膛同心的通孔，并有一个或多个气室。炮口制退器通常是通过螺纹旋在身管上的，螺纹方向与膛线缠度相反，以防止炮口制退器在火炮发射时松动。炮口制退器上配有锁紧装置。某些火炮的炮口制退器被制成身管的一部分。 炮口制退器具有多种设计形式和制造方法(见图4.11和图4.12)。其开槽或气室的数目不定，它既可以是纵向的又可以是横向的。炮口制退器有多种制造方法；制造方法不同，生产出的炮口制退器的效率和耐用性也不同。组装型炮口制退器由用螺栓固定在一起的若干金属板组成，这些金属板也可以焊接在一起。挤压型炮口制退器是用整个的管状钢锻件挤压成型，然后加工而成的。其他制造方法还包括铸造炮口制退器和把实心锻件加工成炮口制退器。后一种制造方法虽然加工速度较慢、成本较高而且只能用于制造结构简单的炮口制退器，但是却能造出更为耐用的的炮口制退器。
图4.11 组装型炮口制退器
图4.12 挤压和锻造型炮口制退器
炮口制退器的工作原理和用途 火炮射击时在弹丸后面运动的火药气体冲击炮口制退器的反射隔板，产生一个向前的作用力。这个向前的作用力能减少后坐能量(见图4.13)。在火炮和弹药一定时，炮口制退器的效率取决于火药气体的转折角度和反射隔板的大小和数量。关于炮口制退器如何提高稳定性的问题请见第五章。除此以外，使用炮口制退器还有其他好处。第一，反后坐装置可减小体积，因为供它吸收的后坐能量小了。第二，可以把同样的炮架使用到口径更大的火炮上或者使同一火炮能使用更大号装药。
图4.13 炮口制退器的工作原理
效率 在弹丸快要离开炮口时，紧跟在弹丸后的火药气体以与弹丸同样的速度向前运动。弹丸一离开炮膛，火药气体即膨胀。在此膨胀期中气体速度增加；与此同时，这些气体若经反射隔板转折一个角度就会产生一个非常大的作用力。就理论上说，转折角度越大，作用力也就越大，最好是转折180°。 由于摩擦和涡流，折转180°实际上是做不到的，而且即使能转折180°，也会对炮班造成伤害。炮口制退器还可以通过增大直径来提高效率，这就要求其直径要足够大，以在火药气体因膨胀而降到大气压力时要达到其最大速度。这实际上也是不可能做到的，因为这会使炮口制退器的直径达到炮膛直径的25倍左右。不过可以采用折衷的办法，目前已经达到的最大折衷系数为五或小于五。此外，还有一个问题就是，尾随在弹丸后边的一部分火药气体不能被第一组反射隔板折转，因此增加反射隔板将有助于折转更多的气体。但是，每个反射隔板仅能折转到达该隔板的气体的约60%。最后会得出这样一个结论，即增加反射隔板所起的作用与火炮所增加的重量和成本相比是得不偿失的。 最常用的有关炮口制退器的效率的术语有总效率、实际效率和自由后坐效率三种。总效率是指由于装上炮口制退器后，反后坐装置吸收后坐能量百分数减少程度的量度，其中没考虑炮口制退器本身重量的影响。实际效率是指对炮口制退器重量影响进行修正后的总效率。实际效率的值比总效率小，因为在减少的总能量中有一部分是由后坐部件的重量(其中包括炮口制退器的重量)引起的。低效率炮口制退器的实际效率为20-30%，然而重量比较轻。高效率炮口制退器的实际效率可达70-80%。实际效率可用下式表示：
其中：
I=实际效率
Rb=配有炮口制退器的火炮的后坐能量
R0=没装炮口制退器的火炮的后坐能量
Mb=火炮后坐部分及炮口制退器的重量
M0=没有炮口制退器的火炮后坐部分的重量
“自由后坐效率”是指能使火炮在火药气体作用下自由后坐并修正了炮口制退器重量后的后坐能量百分数减少程度的量度。该效率考虑了反后坐装置的后坐部件的重量所引起的后坐能量的减少。自由后坐效率可用下式表示：
其中：
Fr=自由后坐效率
Eb=带炮口制退器的火炮的自由后坐能量
E0=没有炮口制退器的火炮的自由后坐能量
Mb=包括炮口制退器在内的后坐部分重量
M0=没有炮口制退器的火炮的后坐部分重量
实际效率是个更符合实际的性能指标，因为自由后坐效率是以弹道摆和炮口制退器常数进行测量的，这些常数都与炮架或炮车无关，而炮架中的摩擦作用是很大的，可能比火炮后坐部分的滑动摩擦大得多。
炮口制退器的缺点 火炮采用炮口制退器也有某些缺点，它们会增加火炮的重量和复杂性。如系旧炮添装炮口制退器，就需要在耳轴后增加配重，以保证火炮的正确平衡。在添装炮口制退器后，还可能需要对火炮的初速、定起角和下垂偏差进行修正。从炮口制退器喷出的发射药气体会造成火炮的能见度不良(在火炮行直接瞄准射击时就会成为问题)并影响炮阵地的隐蔽。使用炮口制退器所带来的更严重的问题是会产生冲击波超压。 炮口制退器造成的冲击波超压会对炮班造成伤害。原因在于增加了炮口制退器后虽然减少了炮口前方的冲击波超压，但是却增加了向后的冲击波超压。不管使用何种类型的炮口制退器，在离炮口约30倍口径的距离内，在某个方向上肯定会有冲击波的峰值。在这个距离之外，冲击波超压开始下降，冲击波会变成声波。 炮后区域的冲击波超压的大小是非常重要的，因为它是炮班成员的活动区域。炮尾附近的冲击波超压是随所使用的炮口制退器的气动指标的增加而直线增加的。人体所能承受的最大冲击波超压约为2磅/平方英寸，超过这个值就会震坏耳朵鼓膜。当超压达20-30磅/平方英寸时，就会损坏炮手肺脏。按分贝计，20-30磅/平方英寸相当于173和196-200分贝。在极端情况下，当超压达到500磅/平方英寸左右时，可即刻造成炮手死亡。 由于听觉损坏是超压对人体可能造成的损伤的下限，因而人类所能接受的最大超压取决于人耳所需要的防护水平。即使暴露在2磅/平方英寸以下的超压下，也会造成暂时性耳聋。长期暴露在较高超压下会导致人的某种程度的永久性听力损伤。常用的听觉防护方式是佩戴耳罩或耳塞，这些措施可使超压衰减达35分贝左右。火炮防盾也可对超压起到一定的防护作用，但是对高性能的现代牵引火炮来说，它是远远不能起到防护作用的。而且，防盾使火炮增重也是一个缺点，特别是对靠直升机空运的火炮来说更是如此。过去还对使冲击波偏离的其它一些措施进行过试验，但是效果有限。在这些措施中包括在炮口制退器上或者在身管上更靠后一些的地方装设反射隔板并使反射隔板垂直于炮膛轴线(见图4.14)。
图4.14 使炮口冲击波偏转的措施
最新的牵引火炮都产生使人关切的冲击波超压，而且这些火炮大都配有炮口制退器。时至今日，这个问题尚未完全解决。唯一的解决方法似乎是正确地进行耳部防护，人们还不得不接受这样一个事实，即起码在作战时不得不面对某些危险。在射击训练时，可视需要限制大号装药的射击。
自我测验题 1. 炮车或炮架是火炮的主要部件之一，火炮的其他主要部件是什么？ 2. 何谓“渐速膛线”？ 3. 何谓“口径”？ 4. 在身管中膛线深度是可以变化的。在决定膛线深度时需要考虑哪两个方面的问题？ 5. 简述射击时膛内发生的各种现象。 6. 弹丸在膛内的整个阶段大致消耗了多少由发射装药产生的能量？ 7. 如果火药装药的“燃尽点”在身管内过于靠前时会出现什么问题？ 8. 身管应具备的主要特性是什么？ 9. 何谓“梁强度”？在身管设计中如何满足梁强度要求？ 10. 身管重心的理想位置应在何处？ 11. 试列举可用于解决身管炮口端过重问题的措施。 12. 试列举制造身管的四种方法。 13. 试列举火炮发射时作用在身管上的五种不同的应力。 14. 何谓“扭转应力”？ 15. 何谓“自紧工艺”？ 16. 自紧工艺的主要优点是什么？ 17. 自紧工艺有哪两种主要工艺途径？ 18. 何谓“烧蚀”？ 19. 火炮身管的“磨蚀”是什么原因引起的？ 20. 制造水冷式火炮身管是可能的，但是它有哪些问题？ 21. 火炮身管采用气冷的主要障碍是什么？ 22. 何谓“自燃”？ 23. 在解决身管疲劳的问题上有哪两个问题值得着重考虑？ 24. 试列举炮闩的主要功能？ 25. 炮闩装置可分为哪两大类？ 26. 什么是闩柄？ 27. 何谓紧塞？在后膛装填和速射火炮中如何进行紧塞？ 28. 与楔式炮闩比较，螺式炮闩有什么优点和缺点？ 29. 试列举“具有多个止推面”的楔式炮闩的优点和缺点？ 30. 试说明对楔式炮闩抽筒子的三个设计要求。 31. 火炮击发装置主要有哪三种？ 32. 与击发机比较，电击发机有哪些优点？ 33. 排烟器有何用途？如何工作？ 34. 炮口制退器的用途是什么？它如何工作？ 35. 为什么说增加炮口制退器气室的数量其效果是有限的？ 36. 一个具有100%效率的炮口制退器的理论直径大约需要有多大？ 37. 炮口制退器的效率可用若干种方法表示，试列其名并作说明。 38. 如果在旧炮上添加炮口制退器，可能会出现哪些问题？ 39. 试列举炮口制退器的主要缺点。 40. 火炮发射时产生的炮口冲击波超压会对炮班成员的安全造成危险，而配用炮口制退器又会增加这种危险，试说明对人体可能造成伤害的冲击波超压的限度。 41. 试说明在火炮发射时可用于保护炮班成员免受冲击波伤害的三种措施。 投笔从戎 [扫描] 2003 正版松鼠妖 [OCR] 2003 投笔从戎 [校对制作] 2005 |
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