CN108895888A - 预应力可主动冷却复合材料火炮身管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种预应力可主动冷却复合材料火炮身管，包括火炮身管、炮尾，火炮身管外设置碳纤维复合材料加固层；所述火炮身管包括钢质内衬管，钢质内衬管外设置钢质层间承压隔条，在内衬管与碳纤维复合材料加固层之间的间隙为冷却通道，冷却通道上设有冷却液进口、出口，进口通过设有泵的管道与冷却液储液箱连接，出口通过设有散热器的管道与冷却液储液箱连接；所述碳纤维复合材料加固层缠绕在钢质层间承压隔条外表。本发明既可以有效降低火炮身管的重量，又可以有效降低身管因射击产生的高温。

Description

预应力可主动冷却复合材料火炮身管

技术领域

本发明涉及一种火炮身管。

背景技术

拿破仑有一句名言“火炮是战争之神”，充分说明了火炮在战争中的重要地位。火炮在现代战争中，仍然起着不可替代的重要作用。为了保证火炮的火力连续性和射击威力，它必须具备较高的射速。在射击过程中，产生的高温高压火药燃气会在火炮身管内形成脉冲式高温流动，以及弹体、弹带和身管的摩擦，会使身管急剧加热，将对火炮造成不利的热影响，如内膛烧蚀磨损、身管热应力、热弯曲、射击精度下降等。持续射击后，这些不利热效应显著加强，会明显缩短身管的使用寿命，更为严重的是，炮管高温还可能形成炸膛的严重事故，造成人员伤亡。因此对身管进行冷却，对提高身管寿命具有重要意义。对火炮的身管进行主动冷却的技术首先用在海军的中小口径的舰炮上，其做法是在火炮身管外用筒包围，在筒和火炮身管外壁间注满冷水，进行主动冷却。舰炮的主动冷却技术使其的射击持续性明显增强，威力大大增加，远远超过了同等口径的陆战火炮。但是舰炮的身管外壁主动冷却技术会明显增加火炮的重量，使其机动灵活性大大降低，这也是陆战火炮没有广泛采用这种技术的原因。另一方面，火炮持续射击后，热量大量聚集在近内膛区域，对于在大口径火炮，由于身管壁厚较大，外壁冷却远离热量聚集区域，难以迅速带走聚集在身管内膛区域的热量，即难以迅速降低身管内膛的温度，这是外液冷却方式在大口径火炮身管冷却上的局限性。

为了适应现代战争的突发性、速决性和多维性等新特点，要求火炮的威力更大、火控通讯能力更强，这对火炮的机动灵活性提出了更高要求。美国等西方国家开始了火炮轻量化研究，主要的做法是采用新型轻质复合炮管，即采用氮化硅、氮化硅铝、氧化铝晶须增强碳化硅等先进陶瓷材料作为炮管内衬，碳纤维-环氧树脂复合材料编织层等纤维复合材料作为炮管外层。陶瓷材料熔点高、硬度高、化学性能稳定，具有良好的抗烧蚀、耐化学冲刷性能，是理想的炮管内衬材料。碳纤维复合材料是性能优异的结构材料。但这种类型的火炮的制造技术要求和成本都很高，难以大规模推广。它也没有考虑主动冷却，现在还停留在实验室验证阶段。

发明内容

本发明的目的在于提供一种既可以有效降低火炮身管的重量，又可以有效降低身管因射击产生的高温的预应力可主动冷却复合材料火炮身管。

本发明的技术解决方案是：

一种预应力可主动冷却复合材料火炮身管，包括火炮身管、炮尾，其特征是：火炮身管外设置碳纤维复合材料加固层；所述火炮身管包括钢质内衬管，钢质内衬管外设置钢质层间承压隔条，在内衬管与碳纤维复合材料加固层之间的间隙为冷却通道，冷却通道上设有冷却液进口、出口，进口通过设有泵的管道与冷却液储液箱连接，出口通过设有散热器的管道与冷却液储液箱连接；所述碳纤维复合材料加固层缠绕在钢质层间承压隔条外表。

冷却液进口位于冷却通道的后端，出口位于冷却通道的前端。

火炮身管的制备方法：将钢质内衬管、钢质层间承压隔条在低温环境下，用碳纤维丝在承压隔条外进行缠绕，形成碳纤维复合材料加固层；待回到正常温度环境中，由于钢材和碳纤维复合材料热膨胀性能的巨大差异，在碳纤维复合材料加固层中形成周向或环向拉应力，在身管内衬管中产生周向或环向压应力，即形成预应力，这对降低身管内衬管的壁厚，提高其强度是非常有益的。

与现有的火炮身管结构相比，本发明火炮复合身管具有如下优点：

1、火炮身管必须能有效承受炮弹发射时形成的高膛压。在碳纤维复合材料加固层的箍紧作用下，在满足强度要求的条件下，身管内衬管的壁厚可以较普通火炮身管壁厚降低许多。承压隔条只承受压力，可以由强度等级较低的普通碳素钢材构成。而碳纤维复合材料的强度是钢材的4倍以上，重量只有钢材的四分之一。这种构造的复合材料火炮身管可以有效减少重量，减少高强度特种合金钢用量，进而降低制造成本。这种身管结构还可以有效提高身管刚度，提高射击精度。

2、由于碳纤维材料的线膨胀系数小于钢材的十分之一，而强度是钢材的4倍以上，将火炮身管内层（包括身管内衬管和承压隔条）置于低温环境下，用碳纤维丝在承压隔条外进行缠绕，形成碳纤维复合材料加固层（身管外层）。等回到正常温度环境中，由于钢材和碳纤维复合材料热膨胀性能的巨大差异，在碳纤维复合材料加固层中形成周向或环向拉应力，在身管内衬管中产生周向或环向压应力，即形成预应力。在预应力的帮助下，可以有效减小身管内衬管的壁厚，或在同样壁厚的情况下提高其强度。

3、储液箱中的冷却液（水），可以由泵通过管路经过进口注入到冷却通道中，注满后，再经过出口，通过管路和散热器，回到储液箱。由于身管内衬管的壁厚明显薄于普通火炮身管壁厚，传热路径较短，冷却通道中的循环流动的冷却液，可以将火炮射击过程中产生的大量聚集在身管内膛区域的热量带走，降低身管内膛的温度，进而提高射击的持续性，增大火炮的射击威力，同时延长火炮身管的使用寿命。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明一个实施例的结构示意图。

图2是图1的A-A视图。

具体实施方式

一种预应力可主动冷却复合材料火炮身管，包括火炮身管1、炮尾4，火炮身管外设置碳纤维复合材料加固层2；所述火炮身管包括钢质内衬管1-1，钢质内衬管外设置钢质层间承压隔条1-2，在内衬管与碳纤维复合材料加固层之间的间隙为冷却通道3，冷却通道上设有冷却液进口10、出口11，进口通过设有泵6的管道5与冷却液储液箱7连接，出口通过设有散热器8的管道与冷却液储液箱连接；所述碳纤维复合材料加固层缠绕在钢质层间承压隔条外表。图中还有阀门9。

冷却液进口位于冷却通道的后端，出口位于冷却通道的前端。身管内层和外层之间的空隙作为冷却通道，它开有进口和出口，和管路、泵、储液箱、散热器、阀门等连接起来，形成冷却液的循环流动。

火炮身管的制备方法：将钢质内衬管、钢质层间承压隔条在低温环境（例-40℃~-100℃）下，用碳纤维丝在承压隔条外进行缠绕，形成碳纤维复合材料加固层；待回到正常温度环境中，由于钢材和碳纤维复合材料热膨胀性能的巨大差异，在碳纤维复合材料加固层中形成周向或环向拉应力，在身管内衬管中产生周向或环向压应力，即形成预应力，这对降低身管内衬管的壁厚，提高其强度是非常有益的。

Claims (3)

1.一种预应力可主动冷却复合材料火炮身管，包括火炮身管、炮尾，其特征是：火炮身管外设置碳纤维复合材料加固层；所述火炮身管包括钢质内衬管，钢质内衬管外设置钢质层间承压隔条，在内衬管与碳纤维复合材料加固层之间的间隙为冷却通道，冷却通道上设有冷却液进口、出口，进口通过设有泵的管道与冷却液储液箱连接，出口通过设有散热器的管道与冷却液储液箱连接；所述碳纤维复合材料加固层缠绕在钢质层间承压隔条外表。

2.根据权利要求1所述的预应力可主动冷却复合材料火炮身管，其特征是：冷却液进口位于冷却通道的后端，出口位于冷却通道的前端。

3.根据权利要求1所述的预应力可主动冷却复合材料火炮身管，其特征是：火炮身管的制备方法：将钢质内衬管、钢质层间承压隔条在低温环境下，用碳纤维丝在承压隔条外进行缠绕，形成碳纤维复合材料加固层；待回到正常温度环境中，由于钢材和碳纤维复合材料热膨胀性能的巨大差异，在碳纤维复合材料加固层中形成周向或环向拉应力，在身管内衬管中产生周向或环向压应力，即形成预应力。