1 绪论1.1 火炮未来发展方向20世纪70年代以来，随着微电子技术、新材料、新能源在军事上的广泛应用，火炮的自行化、自动化、系统化程度越来越高，侦查、指挥手段不断更新，弹药更加多样化。

现代火炮系统的战术技术性能有了很大的发展。

比如，伴随微电子技术和计算机技术的发展，炮兵侦查仪器设备逐步形成了以光电技术为主的光学、激光、雷达、声测、电视、红外等先进侦查仪器构成的远中近结合，地面与空中结合，全方位、全天时，品种齐全、手样多段的侦查体系。

如今，正在研究和发展中的有液体发射药炮、电热炮、电磁炮、激光炮、射束炮等。

与现代火炮相比，未来火炮的结构及性能可能有较大的变化，具体来说可能体现在以下几方面：(1)发射技术取得新的进展。

首先是发射能源的多样性，即不仅采用固体化学能源，而且可能采用液体化学能源、电磁能源、电热化学能源及某些组合能源。

(2)减载技术将取得新得进展，磁流变、电流等技术可能应用于火炮反后坐装置，克服传统炮口制退器效率的限制。

(3)新材料的应用将有助于解决长期困扰火炮技术发展的固有问题，如身管内膛的烧蚀磨损、威力与机动性的矛盾等。

(4)原理性、结构性的创新，使现代火炮的结构发生重大变化。

(5)数字化火炮、智能弹药以及传感器引爆弹药等技术的发展使火炮系统综合作战效能得到大幅提高。

(6)火炮的作战对象、作战环境可能得到拓展，水中火炮、天基火炮等新型火炮可能相继出现，未来火炮具有摧毁敌方鱼雷、潜艇、卫星等功能。

总之，随着兵器科学技术的发展以及现代科技在兵器科学中的应用，火炮技术成为技术的综合体，它涉及能源、机械、材料、控制、光学、电子、通信和计算机等诸多学科，随着多种新概念武器的出现，表征火炮的各种属性正在发生根本性的变化。

1.2 炮身结构炮身是火炮的一个主要部件，包括身管、炮尾、炮口制退器、等零件。

它的主要作用是承受火药气体压力和引导弹丸的运动。

炮身设计主要包括强度计算和结构设计。

结构设计又包括膛内结构设计和外部结构设计。

膛内结构设计时要保证满足内、外弹道对炮身提出的各个参量（如口径、弹丸行程、药室容积、炮口缠度等）的要求和使炮膛结构合理。

外部结构设计主要应考虑炮身各个零件的连接，炮身同摇架、反后座装置的连接等。

炮身主要的组成零件是身管、炮尾和炮口制退器。

身管是炮身的主要零件，发射时承受高压火药气体的作用。

炮闩、炮尾共同承受火药气体向后的作用力并使炮身后座。

它们还同药筒或紧塞装置一起，在发射时可靠地闭锁火药气体，防止火药气体泄漏出来。

采用炮闩可使炮弹能从后方装填，并在发射后由后方抽出药筒，以便进行下一次发射。

对单筒身管来说，身管和炮尾通过连接筒连接。

发射时身管导转弹丸右旋，使身管受到一个左旋力矩的作用。

为防止发射时身管相对炮尾转动在二者之间设有一制转键。

炮口制退器的作用是在弹丸飞出炮口后，使一部火药气体通过炮口制退器侧孔喷出，产生于后坐相反的作用力，从而减小发射对炮架的作用力[1，2，3]。

本文主要针对122mm加农炮进行炮身设计计算。

2 方案设计2.1 设计对象的特点加农炮是火炮的一种。

它是一种身管长、弹道低伸的火炮。

按运动方式和结构一般分为牵引式、自运式、自行式和安装在运载工具（坦克、飞机、舰艇）上4种。

加农炮使用的主要弹种有杀伤弹、爆破弹、杀伤爆破弹、穿甲弹、次口径弹、碎甲弹、空心装药破甲弹、燃烧弹、照明弹等，有的还能发射核弹。

加农炮的射程比其他类型火炮远，威力也较大。

它的主要战斗任务是：主要用于射击装甲目标、垂直目标和远距离目标。

坦克炮、反坦克炮、海岸炮和航空机关炮等都具有加农炮的特性。

60式122毫米加农炮是根据前苏联D-74式122毫米加农炮仿制而成，1960年生产定型，现在仍有装备部队。

参考122mm加农炮，火炮采用单筒身管，装双室冲击式炮口制退器；炮闩为半自动立楔式，开闩板为冲击式，抽筒子为凸轮式；制退机为液压节制杆式，带沟槽复进制动器，液体气压式复进机，制退机和复进机布置在炮身上方左右两侧，均采用筒后坐形式；摇架是筒形的，上架为短立轴拐脖式，下架是铸钢箱式，带有液压千斤顶和座盘，大架带有折叠式夏用驻锄、架尾滚轮和齿条式千斤顶，整体防盾；方向机为螺杆式，高低机为蜗杆自锁单齿弧外啮合式，并装有缓冲制动装置，平衡机为带有机械调整装置的低角注气前推气压式；瞄准装置由非独立机械瞄准具、58式周视瞄准镜、58式标定器、56式直接瞄准镜与照明具组成。

该炮采用药筒分装式炮弹，配有杀伤爆破榴弹和照明弹外，还可发射装有5个燃烧罐的燃烧弹。

2.2 身管的方案设计参考现有122mm加农炮，本设计采用身管为圆柱形与圆锥形的结合的单筒身管，这类身管由一个毛胚制成，它结构简单，加工方便。

其尺寸主要是根据膛压曲线的变化规律由强度计算，同时还要考虑身管刚度、散热以及其他部件的连接等。

单筒身管发射时，内层产生的应力很大，而外层的应力很小。

因此在设计身管时需增加壁厚和采用高强度炮钢。

本设计所选用的身管材料为PCrNi3Mo。

药室采用药筒定装式药室，由本体、连接锥、圆柱部三段组成。

坡膛为线膛坡膛。

导向部为线膛，并采用等齐膛线。

2.3 炮尾的方案设计炮尾是用于安装炮闩，发射时与炮闩一起闭锁炮膛，并连接身管和反后坐装置的构件。

炮闩在完成关闩、闭锁、击发、和抽筒等动作时，有些零件需要装在炮尾上，因此，在炮尾上需要设计不同的平面、孔、凸起部和凹槽等。

由于立楔式炮尾加工简便，关闩等动作比较方便，因此本设计采用立楔式炮尾。

并采用短连接筒连接的方式与身管连接。

2.4 炮口制退器的方案设计炮口制退器用于减小后效期火药燃气对后坐部分的冲量。

它通过控制后效期火药燃气的速度和方向，用动量传递的方式使炮膛合力的冲量减小，达到减小后坐动能从而减小炮架受力。

本设计方案采用冲击式炮口制退器，并设计成为双室的炮口制退器[4]。

3 身管设计3.1 内弹道方程组内弹道方程组是基于以下的基本假设：（1）火药燃烧遵循几何燃烧定律。

（2）药粒均在平均压力下燃烧，且遵循燃烧速度定律。

（3）内膛表面热散失减小火药力ƒ或比热比的方法间接修正。

（4）用系数来考虑其他的次要功。

（5）弹带挤进膛线是瞬时完成，以一定的挤进压力p 。

标志弹丸的启动条件。

（6）火药燃气服从诺贝尔-阿贝尔状态方程。

单位质量火药燃烧所放出的能量及生成的燃气的燃烧温度均为定值，在以后的膨胀作功过程中，燃气组分变化不予计及。

因此，虽然燃气温度因膨胀而下降，但火药力、余容α及比热比等均视为常数。

（7）弹带挤进膛线后，密闭良好，不存在漏气现象。

对于混合装药，理论模型除了上面的基本假设外，还做如下补充假设：（1）混合装药中各种火药存在性能、形状、或尺寸的不同。

（2）混合火药中各种火药生成的燃气瞬时混合，不考虑混合过程。

混合燃气的质量、能量等于单一火药燃气相对应的质量、能量值和。

（3）只求解混合燃气的平均压力，不考虑单一火药燃气分压问题。

根据上面的补充假设，可以直接写出一般的n 种的火药混合装药的内弹道数学模型[5，6]。

形状函数：1(1)1i i i i i i si i si i χλμψχλ⎧Z +Z Z ⎪⎪⎪=Z +Z ⎨⎪⎪⎪⎩2i （+） 011i i ki ki ≤Z <≤Z <Z Z =Z （3.1） 其中：1/e e =Z ,燃速方程：11vi i i idZ u P dt e = 1,2i = （3.2） 弹丸运动方程：dv dv SP m SP m dt dlϕϕν==即 （3.3） 能量平衡方程：21()2n i i i i SP l l f w mv θψϕψ=+=-∑ （3.4） 其中：0111(1)n n i i i i i i pi l l ψψαψρ==⎡⎤∆=---∆⎢⎥⎢⎥⎣⎦∑∑ （3.5） SW l 00= 3.2 内弹道计算参考现有122mm 加农炮的装药为单装药，发射药品号为双芳-3 19/1。

（1）火药形状函数选择发射药品号为圆筒形单孔火药：双芳-3 19/1，有关尺寸如下。

厚度 21e =1.9mm ；孔径 d 0=2.2mm ；药粒外径 D 0=2012d e +⨯=6mm ；药粒长度 2C=320mm ；根据形状函数计算公式（n 为孔数）：12D e =α C e 221=β )2(2956.010e d Z S += （3.6） Cd ne 2011⨯+=∏ （3.7） 220211)2(c d n e Q ⨯-= （3.8）βχ1112Q Q ∏+= （3.9） 111122n Q λβ--∏=+∏ （3.10） )1(μλχψ++=s （3.11）S S S s s Z Z Z --=221ψχ （3.12） 1-=ss S χψλ （3.13） 解得， 对于19/1简单形状火药：β=0.0059375；χ=1.0059375； λ=-0.0059025；0=μ； 0==s s λχ；（2）解内弹道方程的数据准备：起动压力： P0=30000000（pa ）；炮膛横截面积： S=1.212d 2m ；弹重： q=27.3 kg ；装填密度： △=0.6985kg/dm 3；药室容积缩颈长： L 0=11.5759dm ；弹丸沿炮膛行程长：L g =49.1dm ；药室扩大系数： χk =1.47；次要功系数： ϕ=1.1497；全装药装药量： 错误!未找到引用源。

kg ；简单形状火药（19/1）其理化性能及能量参数由内弹道计算手册查的如下，如表3.1所示。

参数火药表3.1 两种火药的物理参量过内弹道计算绘出身管的p l -，p t -，v l -，v t -曲线，如图3.1所示。

(/)f KJ kg k 3(/)a dm kg 3(/)p kg dm ρ n 0()d mm 1()e mm19/1979 1.2 1 1.6 1 2.2 0.95图3.1 身管p l -，p t -，v l -，v t -曲线通过内弹道计算程序求得常温条件下内弹道结果如表3.2所示。

t(ms) p(MPa) v(m/s) l(dm) 0 30 0 0 0.39125 41.774 5.275 0.0097515 0.78251 56.955 12.539 0.043871.1738 76.02 22.333 0.111171.565 99.24 35.256 0.222721.9563 126.51 51.924 0.391952.3475 157.15 72.89 0.634622.7388 189.76 98.556 0.968443.13 222.27 129.08 1.41223.5213 252.22 164.26 1.98463.9125 277.2 203.53 2.70284.3038 295.48 246.01 3.58144.6951 306.31 290.65 4.63075.0863 309.97 336.36 5.85725.4776 307.5 382.14 7.26285.8688 300.29 427.19 8.84656.2601 289.81 470.91 10.6046.6513 277.31 512.91 12.5297.0426 263.78 552.98 14.6157.4338 249.96 591.01 16.8547.8251 236.33 627.01 19.2378.2163 223.2 661.02 21.7578.6076 210.75 693.14 24.4078.9988 199.07 723.47 27.1799.3901 188.18 752.13 30.0669.7814 172.71 778.87 33.06210.173 156.66 803.22 36.15810.564 142.78 825.36 39.34410.955 130.72 845.59 42.61411.708 111.6 879.98 49.109 3.3 膛内结构设计药室是放置发射药和保证发射药燃烧的空间。