高射速中口徑艦炮供彈動(dòng)力技術(shù)分析與展望

彭松江，劉彥奇，梁 林，菅潤(rùn)基

(1.鄭州機(jī)電工程研究所，河南 鄭州 450015；2.中國(guó)船舶國(guó)際工程有限公司，北京 100121)

0 引 言

艦炮是火炮在艦船武備中的重要分支，由于使用環(huán)境、使用方式、裝載平臺(tái)的差異，自動(dòng)化火炮技術(shù)也最早在艦炮領(lǐng)域出現(xiàn)，其設(shè)計(jì)特點(diǎn)與陸軍火炮差異巨大，尤其是其強(qiáng)大的自動(dòng)化供彈系統(tǒng)極具艦炮行業(yè)特征，支持著高性能艦炮自動(dòng)機(jī)發(fā)射率、持續(xù)作戰(zhàn)能力的發(fā)揮[1]，而供彈動(dòng)力技術(shù)直接關(guān)系到供彈系統(tǒng)與發(fā)射系統(tǒng)的匹配能力，是艦炮供彈技術(shù)的核心關(guān)鍵技術(shù)。近年來(lái)隨著作戰(zhàn)需求進(jìn)一步提高，高射速中口徑艦炮對(duì)供彈動(dòng)力供彈率等性能需求也隨之提升，因此開(kāi)展供彈動(dòng)力技術(shù)創(chuàng)新意義重大。

1 中口徑艦炮供彈動(dòng)力技術(shù)現(xiàn)狀

現(xiàn)代艦炮供彈動(dòng)力從動(dòng)力源角度方式分為內(nèi)能源、外能源2種方式，從供彈動(dòng)力技術(shù)實(shí)現(xiàn)形式角度主要包括自動(dòng)機(jī)統(tǒng)一動(dòng)力、響應(yīng)式間歇?jiǎng)恿Φ?。供彈?dòng)力技術(shù)的選擇往往與自動(dòng)機(jī)發(fā)射率、自動(dòng)方式、匹配方式密切相關(guān)，與自動(dòng)機(jī)相得益彰的供彈動(dòng)力技術(shù)支撐了艦炮裝備的迭代發(fā)展。

1.1 國(guó)內(nèi)中口徑艦炮供彈動(dòng)力現(xiàn)狀

我國(guó)目前中口徑艦炮供彈動(dòng)力方式為響應(yīng)式間歇?jiǎng)恿Γ嗖捎脵C(jī)械式動(dòng)力分配技術(shù)模式，供彈動(dòng)力由電機(jī)提供，采用間歇式統(tǒng)一動(dòng)力分配機(jī)械裝置，根據(jù)自動(dòng)機(jī)需要采用自動(dòng)機(jī)械離合方式對(duì)連續(xù)的動(dòng)力進(jìn)行間歇響應(yīng)匹配，定位準(zhǔn)確、可靠性高，設(shè)計(jì)上要求供彈率大于發(fā)射率，以保障可靠發(fā)射[2]。如某中口徑艦炮發(fā)射率120發(fā)/min，采用雙路交替供彈，單路供彈率大于65發(fā)/min，間歇供彈周期0.95 s；某大口徑艦炮也采用同樣途徑，單路供彈率達(dá)60發(fā)/min。

個(gè)別中口徑艦炮供彈動(dòng)力由液壓馬達(dá)提供，如某艦炮供彈鏈路的壓彈機(jī)采用了液壓馬達(dá)間歇工作方式，由 “電磁鐵+行程閥控馬達(dá)”進(jìn)行高頻動(dòng)力分配，壓彈機(jī)部件間歇供彈率可大于230發(fā)/min；由于受電磁閥閥芯磨損、液壓油污染等影響，可靠性低于機(jī)械式動(dòng)力分配方式。

早期的第1代大中口徑艦炮供彈動(dòng)力裝置采用“電機(jī)+電磁離合器”方式進(jìn)行間歇?jiǎng)恿ζヅ洌椔蚀笥?0發(fā)/min[3,4]；這種方式受電磁器件反應(yīng)時(shí)間、功率限制，供彈率和使用范圍會(huì)受到一定限制，并且電磁離合器隨著使用磨損往往會(huì)出現(xiàn)定位不準(zhǔn)問(wèn)題[5]。

1.2 國(guó)外中口徑艦炮供彈動(dòng)力現(xiàn)狀

俄羅斯中大口徑艦炮供彈動(dòng)力均由電機(jī)提供，采用響應(yīng)式間歇分配機(jī)械裝置，工作可靠，目前最新型的AK176M艦炮發(fā)射率為150發(fā)/min，單路供彈率路81發(fā)/min；A190E型單100艦炮發(fā)射率為80發(fā)/min，相比原AK100單管艦炮供彈率提高33%。小口艦炮供彈動(dòng)力為于內(nèi)能源自動(dòng)機(jī)提供拖動(dòng)動(dòng)力。

歐美中口徑艦炮多采用間歇式電液伺服方式，如意大利OTO76的彈鼓、揚(yáng)彈機(jī)、擺彈機(jī)、裝填盤(pán)、輸彈機(jī)動(dòng)力均由液壓馬達(dá)提供，采用電液+機(jī)械換向閥控馬達(dá)動(dòng)力分配裝置，工作可靠，OTO76艦炮上供彈率分別可達(dá)200發(fā)/min。瑞典40，57口徑艦炮均采用彈夾供彈，與多數(shù)小口徑陸軍火炮相同，供彈動(dòng)力來(lái)自于內(nèi)能源自動(dòng)機(jī)動(dòng)力和彈簧勢(shì)能，彈藥運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)高頻間歇規(guī)律，供彈率由自動(dòng)機(jī)自動(dòng)匹配，供彈率達(dá)220發(fā)/min。

1.3 綜合發(fā)展研判

不同于小口徑艦炮主要采用內(nèi)能源或外能源自動(dòng)機(jī)統(tǒng)一動(dòng)力拖動(dòng)方式，也不同于小口徑高炮產(chǎn)品采用的彈夾彈鼓彈簧動(dòng)力和彈鏈拖動(dòng)等，國(guó)內(nèi)外大中口徑艦炮供彈系統(tǒng)仍以外能源響應(yīng)式間歇式供彈動(dòng)力為主流技術(shù)，以電力機(jī)械分配式和液壓閥控分配技術(shù)途徑為主，最新的中口徑艦炮供彈率又提升了25%～33%，并不斷向高速供彈方向攀升。

2 某高射速中口徑艦炮供彈動(dòng)力技術(shù)需求分析

隨著無(wú)人集群目標(biāo)和更高速攻擊目標(biāo)的出現(xiàn)，對(duì)中口徑艦炮近程防空反導(dǎo)、多目標(biāo)作戰(zhàn)能力提出了更高的作戰(zhàn)需求，從而對(duì)高發(fā)射率、射擊精度等提出來(lái)新的需求[6-7]。從提高發(fā)射率角度，小口徑火炮技術(shù)逐漸中口徑化，如成熟的轉(zhuǎn)管、轉(zhuǎn)膛等發(fā)射技術(shù)正在向中口徑火炮領(lǐng)域滲透[8]。相比而言，中口徑單管轉(zhuǎn)膛自動(dòng)機(jī)比多管轉(zhuǎn)管自動(dòng)機(jī)在總體和俯仰部分上存在較大優(yōu)勢(shì)，但由于其供彈系統(tǒng)需要滿(mǎn)足周期小于0.2 s的間歇式單發(fā)啟停模式，以某高射速中口徑轉(zhuǎn)膛艦炮為例，供彈動(dòng)力技術(shù)存在不可回避的技術(shù)途徑選擇難題，急需新的高可靠、高供彈率的供彈動(dòng)力分配技術(shù)支撐。

2.1 內(nèi)能源統(tǒng)一驅(qū)動(dòng)工況分析

采用內(nèi)能源統(tǒng)一驅(qū)動(dòng)技術(shù)途徑，根據(jù)導(dǎo)氣式內(nèi)能源自動(dòng)機(jī)方案和供彈模擬負(fù)載形式建立動(dòng)力學(xué)模型，由彈丸發(fā)射的膛內(nèi)燃?xì)鈩?dòng)力進(jìn)行導(dǎo)氣引流驅(qū)動(dòng)自動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)膛體轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)供彈系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)同步工作，分別以單自動(dòng)機(jī)無(wú)負(fù)載、自動(dòng)機(jī)帶滿(mǎn)載供彈方式進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，特定導(dǎo)氣結(jié)構(gòu)下，仿真結(jié)果如圖1和表1所示。

圖1 某供彈系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真曲線(xiàn)圖Fig.1 Dynamic simulation curve of a shell-feeding system

表1 某供彈系統(tǒng)動(dòng)力仿真數(shù)據(jù)表Tab.1 Dynamic simulation date table of a shell-feeding system

由以上仿真結(jié)果可知，若采用自動(dòng)機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一驅(qū)動(dòng)供彈系統(tǒng)，理論發(fā)射率將下降約10%。

2.2 外能源間歇?jiǎng)恿︱?qū)動(dòng)工況分析

供彈系統(tǒng)若采用外能源響應(yīng)式間歇驅(qū)動(dòng)技術(shù)途徑，由電機(jī)或液壓馬達(dá)為供彈機(jī)構(gòu)提供驅(qū)動(dòng)力，與內(nèi)能源轉(zhuǎn)膛自動(dòng)機(jī)進(jìn)行伺服匹配供彈，只能在自動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)間隙0.07 s內(nèi)進(jìn)行供彈裝填，分別以滿(mǎn)載供彈方式進(jìn)行數(shù)值仿真分析，仿真結(jié)果如圖2所示。

從圖可知，由于許用周期較短，供彈撥輪速度的變化范圍約在-20°～1 500°/s，加速度的變化范圍約在-42 300°～32 000°/s2。最大轉(zhuǎn)矩需 8 845 N·m，按常規(guī)方法選取轉(zhuǎn)速3 000轉(zhuǎn)/min的電機(jī)，功率為694 kW，在工程上來(lái)講功率過(guò)大，供彈功率將呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，對(duì)艦炮總體的適裝性極其不利，同時(shí)動(dòng)力離合機(jī)構(gòu)響應(yīng)速度也難以符合需求，在工程化應(yīng)用上困難較大。

圖2 某供彈系統(tǒng)數(shù)值仿真曲線(xiàn)圖Fig.2 Numerical simulation curve of a shell-feeding system

2.3 外能源外能源耦合驅(qū)動(dòng)工況分析

在內(nèi)能源統(tǒng)一驅(qū)動(dòng)模式的基礎(chǔ)上，采用內(nèi)能源統(tǒng)一驅(qū)動(dòng)技術(shù)途徑驅(qū)動(dòng)供彈系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)同步工作的同時(shí)，對(duì)供彈執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用外能源輔助形式進(jìn)行耦合供彈，分別以輔助扭矩200，400，600，800 N·m進(jìn)行帶滿(mǎn)載供彈動(dòng)力學(xué)仿真分析，特定導(dǎo)氣結(jié)構(gòu)下，仿真結(jié)果如圖3和表2所示。

圖3 外能源耦合驅(qū)動(dòng)動(dòng)力學(xué)仿真曲線(xiàn)圖Fig.3 Dynamic simulation curve of external energy coupling drive

表2 某供彈動(dòng)力仿真數(shù)據(jù)表Tab.2 Dynamic simulation date table of a shell-feeding system

從圖表可知，內(nèi)外能耦合供彈動(dòng)力驅(qū)動(dòng)模式下，輔助動(dòng)力轉(zhuǎn)矩從小往大遞增時(shí)，自動(dòng)機(jī)循環(huán)時(shí)間隨之減小，射速隨之上升，當(dāng)輔助動(dòng)力轉(zhuǎn)矩為600 N·m時(shí)，可保持發(fā)射率不下降，在工程上能夠更為接近目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，但此種模式在中口徑艦炮供彈系統(tǒng)上尚需創(chuàng)新突破。

3 高射速艦炮供彈動(dòng)力技術(shù)展望

3.1 高速供彈動(dòng)力技術(shù)始終是中口徑艦炮核心技術(shù)之一

從中口徑艦炮發(fā)展歷史上看，供彈動(dòng)力分配方式直接決定著艦炮性能、可靠性的實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)的電機(jī)+電磁離合器的動(dòng)力分配方式，由于停位不準(zhǔn)、沖擊過(guò)大限制了發(fā)射率這一最主要的作戰(zhàn)性能的提高；現(xiàn)代艦炮技術(shù)采用的響應(yīng)式間歇供彈動(dòng)力分配技術(shù)，動(dòng)作可靠、運(yùn)動(dòng)快速、到位沖擊較小，為發(fā)射率的提高提供了可靠保障。但在新的作戰(zhàn)需求下，為了進(jìn)一步提高發(fā)射率，需要供彈動(dòng)力技術(shù)進(jìn)行新的創(chuàng)新和突破，來(lái)支撐自動(dòng)機(jī)發(fā)射率的提高，高速供彈動(dòng)力技術(shù)依然是中口徑艦炮核心技術(shù)之一。

3.2 內(nèi)外能耦合供彈動(dòng)力技術(shù)將為提高發(fā)射率提供新的技術(shù)途徑

國(guó)內(nèi)中口徑艦炮供彈動(dòng)力以電力機(jī)械式動(dòng)力分配、液壓閥控式供彈動(dòng)力分配方式為主，可實(shí)現(xiàn)200發(fā)以上的供彈率均存在一定瓶頸。應(yīng)結(jié)合基礎(chǔ)技術(shù)研究相關(guān)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，開(kāi)展內(nèi)外能耦合的高速供彈動(dòng)力技術(shù)研究，進(jìn)一步豐富所掌握的動(dòng)力分配技術(shù)途徑，進(jìn)一步提高間歇式供彈率，支撐新一代高射速艦炮中口徑武器裝備的發(fā)展，同時(shí)也進(jìn)一步豐富供彈動(dòng)力技術(shù)的多樣性。