0 引　言

舰炮身管长度是指从身管尾端面到炮口端面的总长度，是舰炮主要的技术指标，通常用舰炮口径的倍数表示，如某舰炮口径表示为d，身管长度是其口径的62倍，则表示为62d。世界主要舰炮的身管长度^[1]如表1所示。

由表1可知，世界主要国家的舰炮身管长度各不相同，即使同一口径舰炮的身管长度也不相同，有的相差还很大。如美国“密集阵”Block1B型近程武器和西班牙“梅罗卡”近程武器采用的舰炮口径都是20 mm，但身管长度相差两倍多。身管长度的确定与舰炮的使命任务、发射药类型、生产工艺等很多因素相关。舰炮在原始设计和改型设计时，确定身管长度的方法也不相同。

1 舰炮原始设计时身管长度的确定方法

舰炮的原始设计是指在没有原型舰炮可以参考时设计一型新型舰炮的过程。这种情况下，确定舰炮身管长度的流程如图1所示。

1.1 初始条件

舰炮论证任务下达后，首先要进行舰炮的需求分析，根据需求确定舰炮的使命任务。舰炮安装在舰船上，是一种能够执行多种使命任务的武器装备，通常遂行对岸火力支援、对海打击、防空反导、近距防卫等作战任务，大、中、小口径舰炮的防卫、作战重点各不相同。通过分析这些任务类型、作战对象和目标特性等，通过终点效应分析，确定舰炮的主要战术技术指标作为舰炮设计的初始条件。设计身管长度的初始条件一般包括：舰炮口径d，最大射程X_m，弹药类型、弹丸质量m和弹道系数C等。

1.2 外弹道设计

根据确定的初始条件，即可进行舰炮在不同弹种条件下的外弹道设计。

舰炮的最大射程X_m是初速v_g、弹道系数C、射角θ₀的函数。一般在进行外弹道设计时，可把弹丸看作一个质点，其外弹道模型可以表示为^[2]：

$ {\rm{d}}X = \frac{{\partial X}}{{\partial C}}{\rm{d}}C + \frac{{\partial X}}{{\partial {v_g}}}{\rm{d}}{v_g} + \frac{{\partial X}}{{\partial {\theta _0}}}{\rm{d}}{\theta _0}。$

(1)

式中：X为射程；C为弹道系数；v_g为初速；θ₀为射角。

从外弹道设计的一般表达式可以看出，初始条件初步确定后，即可确定舰炮的初速v_g，这是进行内弹道设计的基本条件。

实际上，外弹道设计时考虑的因素很多，需要根据气象条件、地理地形条件、运载条件等进行修正，通常是考虑了各方面限制条件和要求的多目标、多参数的参数优化设计或过程优化设计^[2]。

1.3 内弹道设计

1）装药弹道设计

舰炮的初速v_g是舰炮、弹丸、装药诸元及其综合参量的函数^[4]：

$ v_g=v（y_1\text{，}y_2\text{，}y_3\text{，}y_4\text{，}\cdots\cdots）。$

(2)

式中：y₁，y₂，y₃，y₄，……是身管长度、口径、药室容积、装药量、火药厚度等参数。

在初步确定v_g、弹丸相关参数后，进行装药设计，确定装药参数，为身管长度设计打下基础。

根据初步确定的v_g，舰炮的炮口动能为：

$ E_1=mv^2/2，$

(3)

一般情况下，舰炮的炮口动能只是火药总能量的32%左右^[3]，由此，可初步确定火药的总能量：

$ E\approx 3E_1。$

(4)

根据所需总能量，初步选定火药类型^[4]。

根据舰炮口径、身管材料特性、制造工艺等，初步选定药室容积、膛压等参数，依据选定的火药类型，进一步明确装药参数，如装药量、药型、弧厚等。

可以用有效功率 $ \gamma_g$ 评价装药设计方案， $ \gamma_g$ 越大越好，一般在0.16～0.30之间^[5]：

$ \gamma_g=(k-1)\frac{\dfrac{1}{2}mv^2_g}{f\omega}。$

(5)

式中：k为火药的绝热指数；f为火药力；ω为装药质量；m为弹丸质量。

2）内弹道设计

内弹道设计也叫内弹道反面问题，就是在已知口径d、弹丸质量m、初速v_g、火药性质（装填密度Δ、装药质量ω等）、选定的最大膛压p_m（最大膛压p_m的合理选择，需考虑到身管的材料、工艺、强度、重量，弹丸的强度、引信的作用、抽壳性能等因素）条件下，计算满足要求的舰炮内膛构造诸元（即包含弹丸的全行程长l_g）。

$ l_g=f\left(p_m,v_g,\Delta,\frac{\omega}{m}\right) ，$

(6)

需要注意的是，l_g并不是唯一的。根据弹丸运动方程，可以得到以下初速方程：

$ v_g=\sqrt{\frac{2S}{\varphi m}\int^{l_g}_0 p{\rm{d}}l}。$

(7)

式中：S为炮膛断截面积；φ为次要功计算系数；p为膛压；l为弹丸行程长；l_g为弹丸全行程长。

$\displaystyle \int^{l_g}_0p{\rm{d}}l$ 就是p-l曲线（内弹道正面问题可以解出，见图2）下面的面积，也就是火药气体做功的大小。由式（7）可以看出，在给定初速v_g的情况下，不同的内膛构造参数，就可以给出各种不同的 $\displaystyle \int^{l_g}_0p{\rm{d}}l$ ；即使相同的 $ \displaystyle\int^{l_g}_0p{\rm{d}}l$ 也因为p-l曲线的不同，得出多种不同的弹丸全行程长l_g^[3]，也就是说弹丸全行程长l_g是多解的。因此弹丸全行程长l_g的确定是一个反复权衡的过程。

采用优化设计方法可以很好地解决这一问题。可以以膛压最低、炮口动能最大、药室最小等作为目标，弹丸全行程长l_g作为优化参数，进行内弹道优化设计，反复进行迭代，最后确定优化的弹丸全行程长l_g。

身管长度l_b就是弹丸全行程长l_g与药室长 $ l_{V_0}$ 之和，即

$ l_b=l_g+l_{V_0}。$

(8)

1.4 确定身管长度时需考虑的其他问题

1）兼容多种弹药能力

舰炮为了遂行多种使命任务，往往需要配备多种弹药。不同于陆炮进行初速分级和设置多种药号，舰炮多个弹种装药统一为一种形态，但弹药的主要参数有时还会相差较大，所需要的炮口动能也不一致，这样在确定身管长度时，就需要反复权衡，包络多弹种的发射内弹道状态，找到合适的身管长度，使舰炮发射各种炮弹时都能顺利完成任务。如奥托127 mm舰炮发射的常规炮弹和制导炮弹的弹重、尺寸等基本参数相差较大，为了适应这种变化，奥托127 mm舰炮的身管长度从54d增加到了64d。

2）身管刚度

身管安装在炮尾或炮箱内，相当于一个悬臂梁，不同的身管刚度，使身管具有不同的挠度。身管刚度不足时挠性增大，连续射击时炮口振动将对射击精度极为不利；而要保证足够的刚度，身管壁厚需加大，使身管重量增加，造成俯仰部分重量、转动惯量过大，进而影响随动系统性能。因此，身管长度要取适当值，保证身管刚度，在满足精度和弹丸运动的情况下，也不致身管过重。

3）火药膛内燃尽性

由于火药点火的不均匀性以及厚度的不一致性以及在不同温度条件下燃烧性能的差异，通过内弹道方程计算出的火药燃烧结束位置lk并不能代表所有火药粒的燃烧结束位置，仅是一个理论值，实际上各药粒的燃烧结束位置分散在这个理论位置的附近一定区域内，因此当理论计算出的火药燃烧结束位置lk接近炮口位置时，需要考虑低温边界条件下避免一些火药没有燃完就飞出了炮口，这样的话，不仅火药的能量得不到充分的利用，而且由于每次射击时未燃完火药的情况不一致^[6]，造成舰炮初速的或然误差加大。因此在确定身管长度时，要考虑使火药燃尽点不能接近炮口处，一般要让火药燃尽点位于身管全长的50%～70%之间。

4）炮口压力

在射击过程中，当弹丸离开炮口以后，膛内火药气体仍具有较高压力（50～100 MPa）和较高温度（1200～1500K），并以很高的速度向外流出^[7]。流出的火药气体猛烈地冲击炮口附近的空气，使空气受到突然剧烈的压缩，因而在炮口附近产生空气密度和压力的突跃，形成强度很高的炮口冲击波和声响^[7]。很显然，炮口压力越高，冲击波的强度也越大，过大的炮口压力所产生的冲击波将对舰面设备和人员产生不利的影响，这种影响随着舰炮口径的增大更为显著，所以在进行身管长度选择时应充分考虑限制炮口压力在一定的范围内，尽量减少炮口冲击波的不利影响。

5）身管寿命

舰炮的身管越长，火药气体与膛内表面接触的时间越长，火药气体对炮膛表面的烧蚀也更加严重，使得舰炮身管寿命下降。另一方面，舰炮的身管越长，舰炮的炮口动能越大，有利于提高舰炮的威力；炮口初速一定的情况下，身管越长，可以减少装药量，有利于提高身管寿命。因此设计时应综合权衡，多方案反复比较分析，选取合理的身管长度。

2 舰炮改进设计时身管长度的确定方法

舰炮改进设计时，由于已有原型舰炮可以参考，身管长度的确定方法就简单多了。如果改进型舰炮的主要战术技术指标没有变化，身管长度可以不变。如果兼容弹种、最大射程等重要战术技术指标发生变化或发射装药有重大技术改进时，为了适应这些变化，身管长度则需要相应变化。如前述奥托127 mm舰炮改进时，为了适应新型弹药的使用需求，其身管长度从54d增加到了64d。

例如，需要对某舰炮进行改进。该型舰炮采用54倍口径身管长度，因该炮的使命任务中，承担较强的防空任务，与同口径其他舰炮相比炮口动能偏小，射程较近。在对该舰炮进行改进设计时，根据舰炮使命任务的拓展和面临的威胁，其主要使命任务可能是打击岸上和海上目标，对射程要求相对较大，且需要发射制导炮弹，发射制导炮弹时炮口动能需达到16MJ以上，比原型炮的炮口动能有较大的提高。

根据需要的炮口动能，根据发射药的实际情况，在保证制导炮弹的过载要求前提下，选择能量较高的发射药，在原型舰炮的基础上分别进行54d，58d，62d，64d身管长度的常温条件下内弹道初步计算，计算结果如表2所示。计算结果表明，身管增长到62d，发射制导炮弹时炮口动能即可突破16MJ；身管增长到64d，发射制导炮弹时最大炮口动能可达到16.75MJ。均可满足要求。

分别对54d和62d两种身管长度进行刚度计算，然后对采用原颈筒和相应优化颈筒支撑情况下进行刚度计算，结果如图3～图8所示。计算结果显示，相同条件下62d身管长度的静态变形量最大值比54d身管增大1倍。经过调整颈筒位置，适当加长加大颈筒尺寸和刚度，可以有效改善静态变形量。如果选用64d身管长度，则颈筒重量增加，会大幅增加俯仰部分的不平衡力矩，对随动系统性能指标有不利影响。综合考虑，选用62d身管长度并采取有效支撑措施后，既可满足战技指标要求，也可以保证舰炮精度和适装性。

需要说明的是，以上计算是在选定发射装药的情况下完成的，如果需要更换发射药，重新设计发射装药结构，则内弹道计算需要重新计算，反复迭代优化，最终确定身管长度。

3 结　语

舰炮的身管长度与舰炮的使命任务密切相关，也就是说，舰炮的身管长度是由舰炮的使命任务决定的。通过使命任务分析、外弹道计算、装药设计、内弹道计算可初步确定舰炮的身管长度，再通过优化设计，并综合权衡兼容多种弹药能力、身管刚度、火药的燃尽性、炮口压力和身管寿命等因素，可以较好地、合理地确定舰炮的身管长度。