1 引言
在常规枪械试验中，枪管内膛在射击过程中承受高温、高压及高速的火药气体作用，多种因素耦合作用下枪管内膛易出现烧蚀、磨损及化学侵蚀，导致枪管的初速等综合性能下降，使其不满足规定的战术技术性能指标而寿终[1-2]。同时，枪管温度对枪管寿命具有重要影响，控制射击过程中机枪枪管温度对延长枪管使用寿命、指导部队作战训练运用意义重大[3]。
近年来，科研人员针对枪管寿命失效领域展开了相应的研究，单永海等[4]研究了身管在常温工况下综合寿命的影响因素，并提出了加速寿命试验研究的方法。乔治平等[5]分别选用两根材料不同的身管，通过大量试验探究了机枪枪管失效规律，分析了枪管失效的形式与原因。上述研究是在大量试验的基础上，通过分析数据得到枪管失效规律与原因。而Lawton B等[6-7]则以数值模拟的方式，形象直观地从微观角度展示了枪管的失效形式，分析其失效规律。但前期研究主要是针对某种口径或者特定工况下枪管的失效规律研究，而不同口径的枪管在不同工况下的失效规律研究内容比较少，通过综合对比与分析寻找枪管失效的基本规律具有重要意义。
本文研究了高温、常温、低温等不同环境试验条件下枪管外壁最高温度与环境温度、换箱间隔等试验条件之间的关系。在此基础上，进一步研究了累计射弹量对不同口径枪管初速、射击密集度R50、最大膛压、最大加速度、弹丸膛内运动时间等综合性能的影响。
1 枪管温度影响因素分析
枪管温度与枪管寿命息息相关，为研究并有效掌握枪管温度影响因素及其影响规律，针对性地开展了高温、常温和低温等环境条件下的试验研究，主要包括环境温度、换箱间隔与点射长对枪管外壁温度的影响。测量射击过程中枪管的外壁温度的方法有手动静态和红外动态2种方式，其中手动静态测试方法为间断性的温度点，受周围环境因素、枪管材质的金属折射率等因素影响较大，测量值准确度不高；而红外动态测试可获取相机视场一个区域内枪管温度随时间变化的曲线，测量方式数据量大、准确度高。因此，选取红外动态测试技术获取相应的枪管外壁温度[8-9]。
1.1 点射长对枪管温度的影响
为研究不同点射长(即一个点射连续射击的弹丸数量)对枪管外壁最高温度的影响，在射弹量为100发时，结合不同的温度工况，从多维度展现点射长在温度演变中发挥的作用。
表1为常温、高温与低温条件下不同点射长对枪管温度的影响，通过分析其数据可知，在相同温度工况下枪管外壁温度变化幅度不超过3%，因此不同点射长对枪管外壁最高温度基本没有影响。
表1 不同外界环境下点射长对枪管外壁温度的影响
Table 1 Influence of firing length on the temperature of the outer wall of an barrel under different environment
环境温度/℃点射长/发枪管外壁最高温度/℃高温(50 ℃)205914059680600常温(22 ℃)205074050980510低温(-25 ℃)204954047080483
1.2 环境温度对枪管温度的影响
为进一步分析环境温度对枪管外壁最高温度的影响，通过分析数据，如图1所示。射击过程中采取不同的点射长，枪管外壁温度均是随着环境温度的升高而升高。由于高温火药气体将其热量传递给枪管，使枪管温度远远高于周围环境温度，因此决定枪管最终温度的因素为枪管外壁与周围环境的温度差。外界环境温度越高，枪管由于射击产生的热量传递给周围环境越少；当外界环境越低，枪管的热量传递给外界环境就越多。综上所述，环境温度与枪管最高温度呈正相关：环境温度越高，温度差越小，枪管传递给环境的热量越少，枪管外壁最高温度也就越大。环境温度从常温到高温变化时，枪管外壁最高温度增加14.6%；当环境温度从低温到常温变化时，枪管外壁最高温度增加5.03%。
图1 环境温度与枪管外壁最高温度直方图
Fig.1 Histogram of ambient temperature and the maximum temperature on the outer wall of the barrel
1.3 换箱间隔对枪管温度的影响
在不同环境温度(高温、常温和低温)下，研究换箱间隔对枪管外壁最高温度的影响。如图2所示，通过将数据进行线性拟合，可明显看出换箱间隔与枪管外壁最高温度呈线性负相关，随着换箱间隔时间的延长，枪管外壁的温度线性降低。另外一方面，环境温度与换箱间隔还存在着对枪管温度的交互影响，环境温度除了影响枪管外壁最高温度，还影响单位时间下枪管外壁温度的变化率。导致这一现象的诱因为枪管外壁与环境的温度差，且在低温工况下其变化率最大，即单位时间枪管外壁温度下降89 ℃。
图2 不同温度工况下换箱间隔对枪管外壁最高温度的影响曲线
Fig.2 The influence curve of the changing box interval on the maximum temperature of the outer wall of the barrel under different temperature conditions
高温环境下，换箱间隔与枪管外壁温度之间的表达式：
T=595.58-67.53t
(1)
常温环境下，换箱间隔与枪管外壁温度之间的表达式：
T=531.29-15.25t
(2)
低温环境下，换箱间隔与枪管外壁温度之间的表达式：
T=484.5-89t
(3)
温度作为影响枪管寿命的重要因素，以上重点研究了影响枪管寿命的因素。并对其进行定量定性分析，为枪管寿命研究工作奠定了一定基础，但表征枪管寿命的参数要从其综合性能进行分析(初速、密集度等)。为进一步深入研究机枪枪管寿命，从多因素对枪管寿命进行表征，研究不同参数作用下枪管寿终的评价指标，指导后续试验工作开展。
2 枪管综合性能分析
2.1 弹丸初速分析
弹丸在火药气体作用下，在枪管内膛加速并从枪口出膛，对大口径机枪而言，当弹丸初速降低至原来的85%以下(初速下降率大于等于15%)时，可认定该枪管已经失效，因此弹丸初速可作为枪管寿命的重要评价指标。为了研究射弹量与弹丸初速之间的关系，分别选取3种不同口径的机枪(1#、2#与3#)的各两支枪管(分别将其命名为X-1或者X-2)进行试验。通过综合分析其弹丸初速随射弹量的变化关系，如图3所示。可将其划分为2个阶段(StageI和StageII)。在阶段一(StageI)，弹丸初速随着射弹量的增加而不断升高，并且在射弹量为700发时，弹丸初速达到最高；而后进入阶段二(StageII),随着射弹量的增加，弹丸初速不断降低向着枪管失效的方向不断发展，最终导致枪管失效并且寿命终止。可见，以初速作为枪管寿命表征参量还是比较合理可行的。
图3 弹丸初速与射弹量的关系曲线
Fig.3 The relation curve between the muzzle velocity of the projectile and the amount of firing projectile
弹丸初速呈现先升后降2个阶段的主要原因是，在StageI枪管内壁存在一些阻碍弹丸加速运动的毛刺，随着射弹量的增加，通过弹丸外壁与枪管内壁的摩擦，使枪管内壁平滑，减少弹丸在枪管内壁加速运动的阻碍。但枪管内壁阻碍弹丸运动的因素清除后，进一步增大射弹量而产生的火药气体将烧蚀与磨损枪管内壁，使弹丸外壁与枪管内壁间隙变大，火药气体不全作用在弹丸底部使其加速，因此相应的弹丸初速也降低(见图4)。
图4 弹丸在枪管内膛运动示意图
Fig.4 Diagram of the motion of a projectile in the barrel bore
2.2 射击密集度分析
射击密集度作为枪管寿命的另外一个指标，通常R50达到初始值的2.5倍时，可认定枪管寿终。如图5所示，从3种枪管1#、2#与3#中，选取两支来研究射击密集度，以此分析枪管寿命。可明显看出，射弹量在2 000发以下时，射击密集度随射弹量的变化呈现波动状态，但波动过程中其射击密集度的上限远远小于失效临界点。
图5 射击密集度与射弹量的关系曲线
Fig.5 The relation graph of fire intensity versus amount of firing projectile
通过数据分析可知，整个过程中存在个别误差点，如口径1#的第一支枪管射弹量在720发时，其射击密集度超过失效界限。但从整体的角度而言，属于正常的误差范围内，可能是测量或者是试验过程的操作误差造成的。当射弹量超过2 000发后，随着射弹量的增加，射击密集度呈现线性增长趋势，并朝着枪管失效的方向发展。因此，为减少试验工作量，在寿命试验累计射弹2 000发以前不建议进行R50检测。
2.3 其他性能分析
在射弹量对弹丸初速与射击密集度影响研究基础上，结合3种机枪枪管测试数据，对最大膛压、最大加速度、弹丸膛内运动时间等枪管内膛动态参数与射弹量的关系进行了分析，如表2所示。
表2 射弹量与枪管综合性能关系
Table 2 Relation Table between the amount of firing projectile and comprehensive performance of barrel
枪管型号射弹量/发最大膛压/MPa最大加速度×105/(m·s-2)弹丸膛内运动时间/ms1#-102205.11.716072304.51.551 2292275.11.301#-202305.21.556322285.21.461 0592225.01.302#-102184.91.636742245.11.541 4352104.71.362#-202265.11.576122245.11.481 0732105.71.303#-102215.01.605372265.11.581 9511944.31.313#-201194.91.585542255.11.532 2351814.01.32
研究结果表明，当射弹量数目低于700发时，枪管最大膛压与最大加速度呈波动式变化，但整体呈现增长趋势。究其原因初始状态的枪管内膛由于加工粗糙，火药气体利用率不充分，弹丸挤进枪膛阻力大，因此射击开始前枪管膛压与加速度相对较低，而后弹丸与枪管内膛的不断磨合，克服了加工粗糙区域带来的不良影响，提高了火药气体利用率，枪管膛压与加速度随之波动式增长。并且随着射弹量的进一步增加，两者的数值均相应的进行减小，并朝着枪管失效的方向发展。
如图6所示，随着射弹量的增加，弹丸膛内运动时间呈现递减的趋势。从整体的角度上看，射弹量对枪管综合性能影响分为2个阶段，在第一阶段，枪管综合性能呈现波动式变化；进入第二阶段，枪管综合性能数值迅速下降，并向枪管寿终方向变化。
与2.1节初速分析类似，枪管内膛动态参数变化呈现两阶段的原因主要是枪管内壁与弹壳外壁之间间隙变化造成的，如图4(a)所示，早期两者之间贴合紧密火药气体能够用于推动弹丸的加速运动。随着射弹量增加，两者之间间隙变大，如图4(b)所示，火药气体不完全作用于弹丸，从间隙之间流向枪口，则最大膛压、最大加速度等均随之降低。
图6 弹丸膛内运动时间与射弹量的关系曲线
Fig.6 The relation graph of the motion time in the barrel bore versus amount of firing projectile
3 结论
1) 枪管外壁温度与点射长无关，环境温度、换箱间隔是影响枪管外壁温度的2个主要因素，且换箱间隔与枪管外壁温度呈一阶线性负相关、环境温度与枪管外壁温度呈正相关；
2) 枪管初始状态与环境温度的温度差影响枪管外壁最高温度峰值和温度变化率：环境温度从常温到高温变化时，枪管外壁最高温度增加14.6%；当环境温度从低温到常温变化时，枪管外壁最高温度增加5.03%，并且枪管与环境温度差越大，温度变化率最快，即在低温工作时最明显；
3) 射弹量对弹丸初速的影响以射弹量700发为临界点，在到达临界点之前，弹丸初速不断提高，超过临界点后弹丸速度不断降低，并最终出现寿终现象；而射击密集度是以射弹量2 000发为临界点，在射弹量低于2 000发时，射击密集度呈波浪式变化，射弹量超过临界点后，射击密集度逐渐变大；
4) 最大膛压、最大加速度在射弹量数目少时，呈现波浪式增长，随着射弹量增加，其性能不断降低；弹丸膛内运动时间则随着射弹量增加不断下降。
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