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第二章 炮身设计

２.１ 概　　述

２.１.１ 炮身与炮身设计

炮身是火炮的一个重要部件，它的主要作用是承受火药燃气压力，导引弹丸运动，并赋予 弹丸一定的初速。炮身主要组成零件是身管、炮尾、炮闩、炮口装置和其他附件。如图2.１所 示。

身管是炮身的重要零件，在发 射 时 承 受 高 压火药燃气的作用。炮闩和炮尾共同承受火药 燃气向后的作用力并使炮身后坐。它们还同药 筒或紧塞装置一起，在发射时可靠地密闭火药 燃气。身管 与 炮 尾 可 以 用 螺 纹 或 断 隔 螺 纹 连接，也可以通过连接筒或被筒连接。

在设计上通常采用两种分类 法，一 种 是 按炮膛的结构分，另一种是按身管结构及应力状态分。按前一种方法身管可以分为滑膛和线膛两种。滑膛身管的炮膛由光滑的圆柱面和圆锥面组成。滑膛身管目前主要用于迫击炮、无后坐力炮、部分坦克炮和反坦克炮。如图２．２所示。

线膛炮身管内有膛线，能使弹丸产生高速旋转运动，以保证弹丸的飞行稳定性。它的炮膛一般由药室、坡膛和线膛三个部分组成。坡膛是弹丸导转部（弹带）开始切入膛线的部位。通常将药室和坡膛统称为药室部，所以线膛炮身管的内膛一般分为线膛部和药室部两部分。

身管按其结构及应力状态可分为单筒身管、筒紧身管、自紧身管、可分解身管四类。

单筒身管是由一个毛坯制成，它结构简单，加工方便，因而得到了广泛的应用。目前制式火炮中大部分身管都是单筒身管。单筒身管发射时，内层产生的应力很大，而外层的应力很小。也就是说，外层材料没有得到充分利用。对高膛压大威力火炮来说，采用单筒身管必须增加壁厚和采用高强度炮钢，这对火炮的使用和生产都是不利的。

筒紧身管是由两层或多层同心圆筒过盈地套合在一起，这样内筒存在与发射时方向相反的应力，外筒存在与发射时方向相同的应力，从而提高了身管的强度。通常采用外筒加热或内筒冷却的方法将内 外筒套合在一起。这种炮身的层数越多，其径向应力分布越均匀，因而强度提高亦越多，但在加工工艺上也越困难。

自紧身管（自增强身管）的结构同单筒身管完全一样，但在制造时对其膛内施以高压，使身管由内到外局部或全部产生塑性变形。在高压去掉以后，由于各层塑性变形不同，造成外层对相邻内层产生压应力，即内层受压、外层受拉，就像多层筒紧身管一样，因而使身管强度得以提高。对内壁施加高压的方法一般有液压法、冲头挤扩法和爆炸法等。由于此种身管结构简单，加之自紧工艺不断改进，目前在国内外一些新设计的火炮中得到了较广泛应用。

可分解身管是由两层套合在一起，并且两层之间存在一定间隙，便于分 解。随 着 火 炮 初速、膛压、射速的提高，炮膛的烧蚀、磨损问题变得日益严重。这个问题在大口径、高初速的加农炮和小口径自动炮中非常突出。解决这个问题的一个方法是，把身管做成内、外两层，在内层寿命结束后，可换上一个新的内管使火炮恢复原有的战斗性能。为了保证内管更换方便，在内、外管之间留有一定的间隙。在发射时由于内管膨胀，间隙消失，因而外筒（被筒）也承受内压的作用。可分解身管又可以分为活动衬管（被筒全长覆盖）、活动身管（被筒在身管尾部一定长度上覆盖，如图２３所示）、带被筒的单筒炮身（被筒和身管之间留有较大的间隙，发射时被筒并不承受内压的作用）。实践表明，炮膛烧蚀比较严重的部位，仅在从膛线起始部向炮口方

向大约１０倍口径的长度上，为此而更换整个内管是不合算的，于是出现了短衬管炮身。

（图三）

炮身设计是根据火炮总体对炮身的战术技术要求进行的。对炮身的战术技术要求主要包括：具有足够的强度（发射时不能出现永久变形）、具有足够的刚度（身管弯曲不能过大，炮尾受力变形不能过大）、具有足够的寿命（保持良好的弹道性能）、满足总体对质量、质心、刚度、连接等方面的要求以及满足材料要求（来源容易，加工方便）。

炮身设计的主要内容包括身管设计和炮尾、炮闩设计。由于炮口制退器从作用原理上属于反后坐装置，所以炮口制退器设计将在第三章中介绍。由于受篇幅限制，炮身的其他装置设计就不介绍了，如果感兴趣可以参看有关教材和专著。

身管设计主要包括身管结构设计、身管强度设计和身管寿命设计。

身管结构设计包括身管内膛结构设计（保证满足内、外弹道对炮身提出的各参数的要求，如口径、弹丸行程、药室容积、炮口缠度等，使炮膛结构合理）和身管外部结构设计（在满足发射时的刚强度要求前提下，考虑炮身各零部件的连接、炮身与摇架及反后坐装置等的连接以及火炮总体设计要求，如质量、质心、刚度等）。

身管强度设计是身管设计的一项基本任务，也是本章的主要内容，其目的是以膛内火药燃气的最大压力曲线（即身管设计压力曲线）为依据，应用厚壁圆筒理论和强度理论，确定身管的材料和壁厚，使其具有足够的强度和刚度，保证身管弯曲量不能过大和发射时身管不出现永久性变形，而且有较高的寿命，即能在较长的期间内保持规定的战斗性能。身管寿命设计是根据身管特点，在设计中考虑提高身管寿命的技术措施。

炮尾和炮闩设计也包括结构设计和强度设计。

炮尾炮闩结构设计是根据总体设计要求，合理选择炮尾炮闩结构形式和尺寸。

炮尾是容纳炮闩并与其一起闭锁炮膛，连接身管和反后坐装置的火炮构件。根据炮尾结构外形，炮尾可分为圆形结构（圆柱体、圆锥体及圆柱 圆锥体）和方形结构（矩形体）。根据炮尾与身管的连接关系，炮尾可分为炮尾与身管制成一体（这种结构紧凑、简单，但炮尾或身管任一处损坏时必须整体更换）、炮尾与身管被筒制成一体（这种结构较简单，但加工较困难）、炮尾与身管由螺纹连接（这种结构受力均匀，但一般采用定起点螺纹，加工和装拆困难）及炮尾与身管通过连接筒连接（这种结构加工和装拆方便，但炮尾尺寸较大）等等。根据炮尾与炮闩结合情况，炮尾可分为楔式（横楔式、立楔式等）、螺式（连续螺纹、断隔螺纹、阶梯断隔螺纹）等。

炮闩是承受火药燃气压力，具有闭锁、击发、开锁、开闩及抽出药筒等功能的机构。根据操作炮闩各机构的自动化程度，炮闩可分为非自动炮闩、半自动炮闩、自动炮闩。根据炮闩运动形式，炮闩可分为纵动式、横动式（楔式）、摆式（起落式、卡口式等）。根据炮闩与炮尾结合情况，炮闩可分为楔式（横楔式、立楔式等）、螺式（连续螺纹、断隔螺纹、阶梯断隔螺纹）等。

炮尾和炮闩的强度设计，主要是运用材料力学、弹塑性理论及有限元方法，在给定作用力下，分析给定尺寸的炮尾和炮闩是否满足刚强度要求，或者优化设计满足刚强度要求的炮尾和炮闩结构和尺寸。

由于炮尾和炮闩设计通常是针对具体结构进行的，详细设计这里就不介绍了。