某轉管炮藥筒破裂故障原因分析

張海洋

(中國船舶重工集團公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015)

轉管武器主要利用其高射速、高密集度、高可靠性參與現代空戰及近程防空反導。轉管炮的射擊動作是在一種極惡劣的高溫、高壓、高強度條件下完成的，因轉管炮的射速極高，當在擊發過程中遇到“瞎火”彈時，靠自動機慣性會自動拋出，保證射擊的繼續進行[1]。

某轉管炮射擊時，發生意外停射、藥筒破裂試驗故障，初步判斷是炮彈遲發火引起，即擊發后底火推遲發火，而身管組繼續旋轉，在抽筒階段底火發火點燃發射藥，藥筒在沒有可靠約束的情況下發生炸裂，造成射擊動作的不協調引起試驗中斷。針對上述故障現象，依次從火炮及炮彈兩個方面尋找故障原因。在火炮方面，理論上分析了自動機循環圖，結構設計上分析了可能戳破藥筒的供彈零部件，射擊線路上測試了射擊回路電壓的穩定性等；在炮彈方面，依次對發火藥受潮、藥筒緊口力不足、底火電阻大及傳火序列不同等進行了測試驗證，尋找引起火炮射擊故障遲發火的癥結[2]。

1 轉管炮原理介紹

轉管炮的結構組成如圖1所示[2]，是將多根身管(一般為3～11根)在圓周方向均勻排列，并固定在同一炮尾上，每根身管配有一套炮閂組件，炮閂組件位于星形體的縱向導槽內，身管組共用一個解鎖器和閉鎖器。工作時，身管和星形體由外部或自身能源驅動進行旋轉，每個炮閂支架上方有滾輪與螺旋曲線槽相配合，炮閂組件隨著星形體旋轉的同時，支架滾輪就在曲線槽的作用下帶動炮閂組件在星形體的縱向導槽內作前后往復運動，依次完成輸彈、閉鎖、擊發、開鎖、抽筒、拋筒等自動機的射擊循環動作。

2 底火發火機理簡介

底火按發火原理的不同通常分為機械底火和電底火兩種類型[3]，底火的基本結構示意圖如圖2所示。

機械底火發火機理為：底火受火炮擊針撞擊底火體，使底火體發生塑性變形并產生一定的撞擊能量，該能量使底火中的引燃藥燃燒，引燃藥燃燒可點燃底火中的點火藥(即底火發火)，點火藥燃燒產生的高溫高壓燃氣通過傳火通道(傳火孔)引燃下一級傳火裝置即發射藥，發射藥(一般為黑火藥)燃燒會產生大量的高溫、高壓火藥燃氣，在火炮閉鎖的狀態下將彈丸從藥筒中強制發射出去。

電底火發火機理為：在火炮射擊擊發動作時，擊針與電底火體接觸，電擊發電路形成閉合回路，在擊發電流的作用下，回路中的橋絲電阻發熱，將附著在橋絲電阻上的引燃藥引燃，引燃藥燃燒點燃底火中的點火藥(即底火發火)，后續的傳火序列與機械底火基本相同。

無論機械底火還是電底火，若點火藥受潮或點火能量不足，未能及時點燃下一級傳火裝置，即有可能出現遲發火。

3 故障現象

某轉管炮在進行射擊試驗時發生意外停射故障，檢查供彈線路上炮彈依次排列，未見異常，在火炮前方檢查，發現有一個破損的藥筒，進一步觀察，前排殼器排殼槽內散落著一些未燃燒的發射藥藥粒，故障中破損的藥筒如圖3所示。

經炮上操作，自動機手搖不能轉動，人工解脫供彈與自動機的連接后，手搖供彈裝置正常，進彈和退彈方向均無卡滯現象，但自動機仍不能轉動。

分解自動機進行故障排除，從自動機內取出2發炮彈和3個藥筒，炮彈分別對應2#膛與6#膛位置，3個藥筒分別對應3#、4#、5#膛。1#膛炮閂抓勾上有一發煙熏嚴重發黃的炮彈，未完全進膛。取出1#膛炮閂和待進膛彈后看到彈丸頭部的銅帶已完全擠進藥筒內，藥筒彎曲變形。此時從炮尾后方觀察到1#膛內還留有殘余藥筒碎片和1個炮彈。1#膛變形炮彈及膛內殘留碎片如圖4所示。

觀察破裂藥筒情況，破裂藥筒側壁上有一些明顯凸起、凹陷、裂紋等痕跡。將這些痕跡與自動機炮尾比對，發現藥筒上的壓痕和凸起都能夠與炮尾閉鎖齒、阻鐵等完全吻合，從以上跡象來看，應是藥筒在抽出炮尾半個彈長距離時被炸裂外翻，貼到炮尾閉鎖齒位置形成的壓痕。

同時，對自動機各零部件進行檢查，曲線槽完好無損，炮閂支架在星形體的縱向導槽內按規律分布，炮閂與炮閂支架裝配關系正確。由此可知自動機的裝配無問題。

4 故障原因分析

根據故障現象，初步分析認為：炮彈經自動機閉鎖通電后，底火未在膛內及時點燃發射藥[4]，隨著自動機的循環，解鎖后抽殼過程中，底火才將發射藥點燃，即發生了遲發火故障。此時部分藥筒已從炮膛內抽出，在無膛壁承壓的情況下，發生藥筒炸裂，彈丸留膛，同時膛內的彈丸、藥筒殘余部分、發射藥藥粒等阻礙將進入1#膛的下一發炮彈入膛，1#炮閂不能到達前方閉鎖位置，導致身管組停轉,火炮停射。

為消除武器系統故障隱患，從火炮和炮彈兩方面進行分析，尋找可能引起該遲發火的末端因素，建立故障分析流程圖，如圖5所示。

4.1 火炮故障原因

4.1.1 自動機循環圖

轉管炮在射擊時，輸彈、關閂、閉鎖、擊發、開鎖、抽殼等機構動作應嚴格按照自動機循環圖時序執行，若實際結構動作與循環圖理論時序不符，可能會出現閉鎖段時間不足就發生開鎖、抽殼等動作，造成高膛壓下開閂，即提前開閂，則會造成藥筒炸裂故障。

該故障炮自動機理論循環圖前期經過大量的理論計算、仿真分析及試驗驗證，可證明循環圖時序是正確的，自動機的循環圖如圖6所示，在設計的最高射速條件下S4段終點時間為6.4 ms.基于故障炮的實際結構，測量了故障自動機實際循環圖，如炮箱凸輪曲線、閉鎖器和解鎖器位置，經計算得出實際S4段終點時間為6.5 ms.而炮彈的理論內彈道時間t4為6.3 ms，因此可知在最高射速條件下，以炮彈的內彈道時間t4為參考，自動機的理論循環與實際循環誤差在2%以內，可確認故障自動機實際循環時序與理論時序一致，因此可排除自動機循環圖與理論不吻合這一因素。

4.1.2 火炮使彈丸松動

炮彈由彈丸和藥筒兩部分組成，若在炮彈供彈入膛之前，火炮使彈丸與藥筒之間發生松動，閉鎖擊發時，假設火藥燃氣會從彈丸松動處泄露，不能有效將彈丸推彈入膛及正常發射，則會出現遲發火現象。

從現場調查的情況來看，雖然未擊發彈的彈丸未見松動情況,但仍針對彈丸松動情況進行了驗證試驗。彈丸正常狀態下，理論上內彈道最大膛壓P為470.4 MPa，點火延遲時間t2為0.94 ms，內彈道總時間t4為6.3 ms，彈丸松動試驗如表1所示，其中彈丸松動狀態分輕微松動、微松動、松動，僅表示彈丸的松動程度由弱到強，但不影響彈丸的射擊試驗。表1中M為試驗內彈道最大膛壓與理論內彈道最大膛壓的比值，N為試驗點火延遲時間與理論點火延遲時間的比值，Q為試驗內彈道總時間與理論內彈道時間的比值。

表1 彈丸松動試驗

從試驗數據得出，3發炮彈彈丸松動情況下，試驗數據相對于理論數據的誤差在5%以內，得出射擊試驗的內彈道數據正常，否定了上述假設，驗證了即使彈丸松動也不會出現故障。

4.1.3 火炮供彈機構將藥筒戳破

若火炮供彈機構零部件將藥筒戳破，在閉鎖擊發時，發射藥會在破口處泄露，造成膛內壓力大幅降低，火藥氣體能量不足，無法將彈丸發射出去，從而在抽殼階段出現上述故障現象。

可能戳破藥筒的零件有供彈機構斜撥彈輪和供彈機構外導引，實物檢查上述零件，未發現有裝配錯誤及零件損壞問題。在計算機上比對三維模型，如圖7所示，未發現有設計問題，基本可排除供彈機構零件將藥筒戳破的可能性。

將藥筒戳破，進行單發彈道炮模擬試驗，試驗結果如圖8所示，藥筒破口部位被發射藥熏黑，而實際藥筒破口部位無此現象，因此可排除供彈機構零部件將藥筒戳破導致火炮故障的因素。

4.1.4 火炮射擊電路電壓不夠

火炮正常射擊需要滿足的必要條件之一，是控制系統的電源能夠為底火中的橋阻絲提供足夠的電壓，使橋阻絲在接通電流后會產生一定熱能，依次點燃引燃藥、點火藥及發射藥，最終將彈丸發射出去。如果火炮射擊電路電壓不足，將造成擊發能量低，會出現遲發火現象。

該轉管炮控制系統電源可為底火提供27 V直流電壓，為保證電壓的穩定與可靠，已采取兩項優化措施：匹配危界機構縮短射擊電路，減少線路上的能量損失；采用開關電源替代原橋式整流電源，電源的品質更好。

故障炮試驗監測到的電流截屏如圖9所示，從圖中可以看出，最低值大于10 A，可有效地滿足底火6 A的可靠發火要求。另對故障前和故障后射擊線路檢查均正常，因此可排除射擊電路電壓不足這一因素。

4.1.5 擊針有油污使擊發電流減小

若擊針有油污，會影響擊發瞬間電流的傳輸，減弱擊發能量，會造成炮彈的不可靠擊發，從而出現遲發火。

在射擊前均進行了絕緣電阻檢查，故障發生后，在未經清洗情況下，也進行了絕緣電阻檢查，電阻值均滿足規定的要求。擊針也未見到油污及絕緣層損壞的情況，從后續試驗監測到的電流來看，擊發電流可有效地滿足底火6 A電流的發火要求，因此本因素可以排除。

4.2 炮彈故障原因

4.2.1 發射藥受潮

為驗證發射藥在不同吸水程度情況下，對火炮的內彈道影響程度[5-6]，在某檢測中心進行了發射藥吸水驗證試驗。

正常情況下發射藥的內彈道時間為6.3 ms，規定一個單位吸水量為wg，產品不同吸水量狀態如表2所示。從表中數據可以看出，發射藥在吸水達一定量時會產生遲發火現象。

表2 發射藥加水試驗結果

經試驗驗證，發射藥吸水達到飽和狀態時對火藥的燃燒規律有少量影響，但影響程度從彈道炮試驗數據來看不會造成本故障。當藥筒內吸水量達到飽和吸水的2倍時，可使炮彈發射的內彈道時間t4明顯延長，即遲發火現象。

4.2.2 緊口力不足

彈丸和藥筒之間通過藥筒緊口力連接到一起即為炮彈。若藥筒緊口力不足，在閉鎖擊發時，有可能會影響炮彈的內彈道時間，從而間接影響火炮的發火時間，即出現遲發火現象。

對藥筒緊口力不足進行了3組彈道炮試驗，從試驗數據得出，彈丸緊口力不足不會產生本故障。

表3 彈丸緊口力不足試驗

4.2.3 底火電阻大

在生產過程中，不能保證每發炮彈底火的橋阻絲數值完全一致，其阻值的不同會造成實際電流、熔斷時間的差異，進而影響底火的可靠發火。

對不同量引燃藥的底火橋阻絲電阻進行了測量，測量結果如表4所示，引燃藥分別為a1、a2、a3、a4、a5,且按順序依次遞增，其中Pm為底火最大膛壓，Tm為底火燃燒終了時間。

表4 底火P-t曲線測試結果

從表4的測量數據可得出，在不同范圍量的引燃藥情況下，擊發過程中底火橋阻絲電阻變化較小，不會影響底火電流的可靠發火。

4.2.4 傳火序列問題遲發火

傳火序列的不同會在一定程度上影響炮彈的內彈道時間，有可能會出現遲發火現象，故對不同量的點火藥、引燃藥及發射藥的傳火序列進行了彈道炮試驗，點火藥基量為α，引燃藥基量為ε，發射藥基量為σ，試驗結果如表5所示[7]。

表5 點火藥、引燃藥、發射藥量遞減試驗結果

經彈道炮試驗可得出，炮彈的內彈道時間與點火藥、引燃藥、發射藥成反比例關系，當點火藥、引燃藥、發射藥量少到一定的程度，均會引起遲發火。

4.3 分析結論

某型轉管炮炮彈發火過程是[8]：當炮彈進入彈膛內，在不完全閉鎖的情況下，電源接通開始給電底火供電，底火發火電路如圖10所示。

經過分析及試驗測試可得出結論:如果電底火中點火藥內含有過多水份，就會在引燃藥點燃點火藥及點火藥燃燒過程中消耗能量，影響點火藥的正常燃燒，造成點火藥燃燒緩慢，產生的燃氣壓力低，點火能量不足，不能在規定時間內提供正常的點燃發射藥所需的點火能量，造成炮彈遲發火，發生遲發火故障，因而在高射速的轉管炮退殼過程中將藥筒炸裂。

5 結束語

某轉管炮射擊試驗出現火炮意外停射、藥筒破裂、發射藥散落的故障，初步判斷故障癥結為炮彈遲發火。為消除武器系統故障隱患，從火炮和炮彈兩個方面尋找故障的末端因素?；鹋诜矫娣治隽俗詣訖C實際循環圖，并與理論循環圖進行對比，吻合較好；從結構設計上分析了供彈機構中零件將藥筒戳破的可能性，并進行了火炮模擬藥筒戳破射擊驗證試驗，彈丸正常發射、藥筒未炸裂，排除了該因素；對火炮射擊電路的電壓、電流進行了監測，均滿足設計要求，可保證底火的可靠發火。炮彈方面分別從發火藥受潮、緊口力不足、底火電阻大及傳火序列問題等方面尋找遲發火原因，并進行了相關的驗證試驗，結果表明當帶芯電極底火體含有一定水份，總裝完成后，水浸入點火藥，導致電底火點火藥內含有過多水分引起遲發火。

針對某轉管炮故障查找末端因素過程中，所采用的分析流程及驗證方法對火炮武器系統故障的分析解決具有一定的借鑒作用。