关于药筒发展的展望

关于药筒发展的展望刘飘楚1,寇德齐2，赵捍东3,王保东4（1.北京理工大学，北京，北京海淀区中关村南大街5号100081；2.装甲兵工程学院，北京，100072；3.中北大学机电工程学院，山西，太原030051；4.山西中通高技术有限责任公司，山西太谷030800）摘要：药筒是近代火炮系统中的一个重要组成部分。药筒的出现与应用，对火炮的发展起到积极的推动作用，引起了火炮的重大变革。本文对火炮使用的金属药筒及非金属药筒发展现状进行了分析，指出了金属药筒及非金属药筒存在的问题，对金属药筒及非金属药筒未来发展需要解决的关键技术进行了归纳与总结。关键词：金属药筒；非金属药筒；旋压药筒；焊接药筒；可燃药筒，塑料药筒TheprospectsofcartridgedevelopmentLIU-Piaochu1；KOU-Deqi2；ZHAO-Handong3；Wang-Baodong4（1.BeijingInstituteofTechnology，Beijing，No.5,ZhongguancunSouthStreet,HaidianDistrict,Beijing,100081,China.2.TheAcademyofArmoredForcesEngineering,Beijing,100072.3.NorthUniversityOfChina,CollegeofMechatronicEngineering,Taiyuan030051,Shanxi.4.ShanxizhongtonghightechinologyCO.LTD,ShanxiTaigu030800,China）Abstract：Modernartillerycartridgesystemisanimportantcomponent.Theemergenceandapplicationofcartridge,thegunhasplayedapositiveroleinpromotingamajorchangecausedtheartillery.Inthispaper,themetalusedcartridgegunandnon-metalliccartridgedevelopmentstatusoftheanalysis,pointingoutthatthemetalandnon-metalliccartridgeproblemsofmetalandnon-metalliccartridge,needtoaddressthefuturedevelopmentofkeytechnologiesSummarizedandconcluded.Keywords：metalcartridge;non-metalliccartridges;spinningcartridge;weldingcartridge;combustiblecartridge,plasticcartridge1引言药筒是近代火炮系统中的一个重要组成部分。药筒的出现与应用，对火炮的发展起了很大的推动作用，引起了火炮的重大变革[1]。药筒可以防止高温、高压、高速燃气冲刷和烧蚀火炮药室，同时起到闭气作用，有效地保护了炮手的人身安全。按照制造药筒使用的材料，药筒可以分为金属药筒和非金属药筒。金属药筒根据使用的材料不同一般分为铜质药筒、钢质药筒、铝质药筒；根据制造方法不同又可分为整体引伸药筒、焊接药筒、旋压药筒、旋压焊接药筒。非金属药筒可分为可燃药筒、半可燃药筒和不可燃药筒。现代战争要求火炮系统向着高机动性、高射速、大威力方向发展，对药筒不断提出了新的性能要求，笔者对各种药筒的优缺点及发展趋势作简要分析。2药筒国内外发展现状1）金属药筒第二次世界大战以前，国外药筒总体上是采用金属卷制。二战初，由于火炮战技指标的提高，卷制药筒已经不适应新型高膛压火炮的要求，各国开始研制和装备整体引伸药筒。黄铜具有弹性模量小，塑性、韧性好，且有一定的强度。黄铜这些性能，较好地满足了药筒的战术要求，故最早的整体引伸药筒均采用黄铜制造，且一直沿用至今。由于铜资源紧缺及战争中弹药大量消耗，使各国纷纷开始研制钢质整体引伸药筒以及相应的装备技术。二战期间，德国首先研制了钢质整体引伸药筒，而后，美、苏、日等国也相继研制和生产了钢质整体引伸药筒，以满足战时药筒的大量消耗。由于钢的强度高、韧性差，引伸同口径的药筒需要的设备吨位远高于铜质引伸药筒。因此，国内外，中小口径火炮均采用钢质整体引伸药筒，而大口径火炮采用其他方法生产钢质药筒。国内外从上个世纪60年开始尝试采用焊接工艺方法生产大口径钢质药筒。该方法加工过程为，先将药筒筒体采用薄钢板卷圆后焊接成筒体，再与钢质筒底采用环缝焊接技术形成药筒成品，其优点是不需要整体引伸使用的大吨位冲压设备，工艺简单，成本低。我国五十年后期开始研制金属药筒。经过20多年的努力，在整体引伸药筒上取得了重大发展，开始具备了大量生产的能力。我国整体引伸药筒也是经历了从黄铜引伸药筒逐步过渡到钢质引伸药筒的过程。六十年代以来，为了达到以钢代铜，以焊代冲的目的，开始研制焊接钢质，七十年取得重大突破，八十年代焊接钢质药筒取得了重大发展。但焊接钢质药筒由于筒体强度低，丁字焊缝易开裂，退壳性能较差。另外，在高射速、自动装填的火炮上使用受到了一定限制。进入二十一世纪，为改善冲压引伸药筒的高能耗，以及改变焊接药筒筒体强度低的缺点，出现了整体旋压钢质药筒。该加工方法是将药筒毛坯经过冲压得到一定长度的药筒坯料，经过多次旋压，使筒体延伸而形成药筒成品。其优点是得到的药筒尺寸精度高，机械性能好，且制造成本低，是金属药筒未来的发展方向。为了减轻小口径火炮系统的消极质量，提高射击速度，国外从五十年代开始研究整体引伸铝质药筒[2]。如美国的FrankfordArsenal公司1956年开始研究铝药筒。该公司主要研究了材料的选取、成型方法和润滑等问题。选取了A97075铝合金，选用多次冲压加工成型工艺方法加工药筒。试验中出现药筒筒体烧蚀问题。1975年，FrankfordArsenal公司与ThiokolChemical公司合作，采用外表面阳极处理和内内表面喷涂硅酮层等措施，解决了烧蚀问题，提高了筒体表面强度、硬度、耐烧蚀问题。1984年美国研制了30X173mm铝合金药筒，1985-1988年研制了25X137mm铝合金药筒，2001年研制了20X120mm铝合金药筒。我国从九十年代也开始了铝合金药筒的研究，并取得了一定的进展。2）非金属药筒可燃药筒最早出现在第二次世界大战的德国。至今，德国掌握着可燃药筒最先进的研究水平和制造技术。可燃药筒是使用可燃性物质制成，发射时在膛内燃尽，无需推出炮膛，特别适用于坦克炮使用。其优点是改善了火炮操作条件，提高了射击速度，减少了回收运输等繁重任务，节约了金属材料，减轻了炮弹质量，简化了生产制造工艺，提高了生产效率，降低了成本，免去了抽壳动作，有利于火炮结构的改进。从二十世纪70~80年代，美国、原苏联、西德、法国、日本、瑞士等国已在坦克炮、榴弹炮、自行火炮、航炮上装备了20mm~155mm口径火炮中逐渐使用了可燃药筒，部分取代了金属药筒[3]。可燃药筒分为全可燃药筒和半可燃药筒两种，带有金属底座的可燃药筒称为半可燃药筒。半可燃药筒在药筒底部增加了一个很短的金属弹底解决燃气密闭问题。采用这种结构药筒的炮弹主要用在射速较高的坦克炮上。目前，国内外坦克炮上大部分采用这种药筒。塑料药筒也称可燃药筒，是指不燃烧、不消失的塑料制造的非金属药筒，用以替代稀缺黄铜，减轻弹药质量[4]。美国从1950年即对塑料药筒进行了研究，用ABS、尼龙、高密度聚乙烯、聚碳酸酯、聚甲醛、氟塑料、聚酯树脂、环氧树脂及DAP等材料制成的药筒进行了大量的试验，直到1965年才被陆军正式采用。瑞典博福斯公司研制的FH-77式155mm榴弹炮，配用了主要弹种为77式底凹杀伤爆破榴弹，装药为可重复使用的钢底塑料药筒，比黄铜药筒减轻75%，可重复使用4次以上。俄罗斯ZC-19式152mm加农炮炮弹也采用了带金属底座的塑料药筒。其它采用塑料药筒的弹药还包括日本的75mm和105mm榴弹以及美国105mm榴弹[4]。国内塑料药筒的研究在1967年以前因其低温（-40℃）脆裂一直未解决，故处于停顿状态[6]。80年代之后，在配合自行加榴炮研制过程中，采用改性HDPE制造塑料药筒，该材料对高温、高湿环境条件具有良好的适应性，低温脆性温度达-80℃以下，可保证低温正常使用的可靠性，与发射药具有良好的相容性，机械强度满足闭气性和发射强度要求。3药筒面临的问题1）金属药筒由于铜资源稀缺，造价昂贵，加之长期储存时受环境影响易在筒体表面产生锈蚀现象。因此，各种口径的药筒均被钢质药筒所取代。整体引伸药筒生产效率高，成品尺寸精度高，目前一直装备部队。由于大口径药筒整体引伸需要大吨位、大行程的压力设备，以及多道热处理工艺，能耗极大，对环境污染严重。因此，整体引伸钢质药筒主要配用于中小口径火炮弹药。为了克服大口径整体引伸钢质药筒的缺点，国内外发展了焊接钢质药筒。焊接钢质药筒材料来源广泛，钢板价格低廉，生产工艺简单，不需要大吨位的设备，能耗小，污染小，制造成本低，长期储存过程没有应力释放，不开裂。因此，大口径金属药筒一般采用焊接钢质药筒。但焊接钢质药筒存在筒体不能热处理造成筒体强度低，退壳性能较差，平时运输时筒体易变形，射击时筒体焊缝容易开裂，造成烧蚀火炮药室等缺点。旋压药筒能耗小，药筒尺寸精度高，可用材料广泛，但单机加工效率较低，批量生产时，需要配备多台设备。2）非金属药筒整体式可燃药筒与弹丸的结合强度不易保证，不利于高速装填，防火、防潮、长期储存性能低于金属药筒。药室污染较严重，而且当膛内有残渣时容易引起药筒自然。由于药筒可燃，故对内弹道性能有较大影响[5]。塑料药筒有较大的吸水性和渗透性，易使发射药受潮，且防静电、防虫蚀以及连续射击适应性差，对发射药、护膛剂及炮管擦拭油长期接触易发生化学反应[6]。4药筒发展展望综上所述，目前，世界各国均在使用金属药筒和非金属药筒。笔者认为，由于各类药筒各有其特点，就目前的技术发展水平而言，在未来的50年内，金属药筒和非金属药筒共存的局面将延续。1）金属药筒整体引伸药筒主要用于小口径速射火炮弹药。为了提高射速，采用铝合金材料是其主要的发展方向。其关键技术应该包括多次引伸热处理工艺参数的优化、内外表面强化技术、提高内表面抗烧蚀涂层技术，提高筒体强度和韧性技术。焊接钢质药筒主要用于中大口径牵引火炮弹药。其今后要解决的关键技术包括：（1）采用新材料、新工艺、新设备技术；（2）提高焊接钢质药筒生产线设备的智能化、数字化程度，保证产品尺寸稳定一致；（3）焊接钢质药筒生产线采用先进工艺与现有焊接技术相结合技术，提高生产效率和产品质量。最有前途的金属药筒加工方法是采用旋压技术，不但可以生产小口径药筒，也可以生产中大口径的药筒，且材料不限，可以使用低碳钢、高碳钢、铝合金，成本低，精度高。是唯一可以满足未来高膛压火炮使用的金属药筒。其关键技术包括：（1）旋压工件弹塑性变形机理研究和试验技术；（2）旋压工艺参数优化技术；（3）烤口工艺技术；（4）采用两相流理论分析旋压药筒膛内发射变形机理仿真技术；（5）旋压药筒膛内发射时，应力应变及温度分布的试验技术。2）非金属药筒可燃药筒优点是火炮无需退壳机构，同时减少了回收运输等繁重任务，特别适用于速射坦克炮使用弹药。为了克服其缺点，其今后要解决的关键技术包括：（1）可燃药筒表面涂覆多功能复合涂层技术，提高药筒的储存与防护性能[7]。（2）可燃药筒发射时在膛内完全燃烧技术，包括材料组分、药筒结构、加工工艺、可燃药筒挥发分含量对燃烧性能的影响分析[8]，（3）可燃药筒因为参与膛内燃烧，其结构、性能以及其本身的燃烧特性对弹道性能有很大的影响，因此必须应用现代内弹道理论对可燃药筒燃烧规律进行深入的研究[9]。（4）合理优化材料组分配方，解决可燃药筒强度与膛内燃尽的矛盾[10]。塑料药筒今后主要关键技术是通过改进材料组分、药筒结构、加工工