舰炮射速为何远超陆炮?散热系统是关键

前言

现代驱逐舰和护卫舰的主炮和陆炮不同,射速高达数十发/分,像俄罗斯的AK176和我国的HP/J-26 76mm主炮爆发射速更是可以达到120发/分。不过代价也很高,一门自动化的舰炮,炮塔仅仅是它的上层建筑,下层往往还会穿过2层甲板,我们看到的真的是冰山一角。这样下来,一门舰炮的全重达到了几十吨,俄罗斯的AK130双管主炮更是达到了惊人的94吨。这其中包括了自动机、炮架、扬弹系统和监视控制系统四部分组成今天我们不说别的,就聊聊炮架里的冷却系统。实际上舰炮的射速是小于扬弹速度的,也就是说现在限制舰炮射速的不是杨弹机,而是决于炮管冷却方式。
舰炮射速为何远超陆炮?散热系统是关键
OTO 127mm 64倍径火炮总体结构
舰炮射速为何远超陆炮?散热系统是关键
AK130的炮塔和下层弹鼓

舰炮冷却方式

火炮在发射时,炮管的温度会急剧上升。高温的火药燃气会传递一部分热量给炮管内膛,炮弹顺着膛线旋转、沿着炮管向前运动产生的摩擦也是炮管温度上升的主要来源。每次发射内膛吸收的热量,相当于一枚炮弹出膛时的出口动能的1/3。这是非常可观的热量,必须有主动散热装置将其带走。如果没有主动冷却装置,火炮连续急射数次后就会因为温升太高导致身管寿命急剧降低,甚至报废。比如俄罗斯的AK176炮有明确规定,没有水冷的情况下不能超过 50 发连射;以后自然冷却2个小时。没有主动制冷,可见会严重限制舰炮的战斗力。
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水冷下的炮管温升规律
常见的舰炮冷却方式,按照循环方式可以分为开式循环和闭式循环,按照冷却位置可以分为内冷和外冷。外冷开式循环是冷却液冲刷炮管后直接排到甲板上;这种冷却到方式的好处是结构十分简单,可以全部使用海水冷却。不过开式循环实在是不怎么利索,你们可以想象一下海水都排到甲板上是什么情形。比如意大利的奥托 76mm和127mm舰炮,就属于是一种开式循环的冷却系统。
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奥托76炮,注意炮口附近喷出的水
舰炮射速为何远超陆炮?散热系统是关键
OTO 127mm 64倍径舰炮,采用外冷式水冷
美日等国由于都是引进的奥托舰炮的技术,所以散热都是这么的粗放。。。
外冷闭式循环就要好的多了,冷却液可以循环冷却,和发动机的液冷方式很像。它是通过一个套在炮管上的散热套,通过注入海水或淡水来,对炮管外壁进行冷却,水经过散热器后重新循环,这样就可以使用比较宝贵的淡水进行循环(当然必要时也可以使用海水)。比较有代表性的就是俄系:130mm,100mm和76mm舰炮。这种散热方式,有一个很有辨识性的特征,就是炮管外部可以看到一根管子,顺着炮管一直延伸到炮口部位,在靠近炮管根部的地方还是一根软管,这主要是为了适应火炮后座时需要向后移动而设计的。
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闭式循环的外冷却系统
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AK130mm舰炮
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AK176,冷却管与炮管平行
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A190E 100mm舰炮
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AK192M
由于水冷设计比较精巧,同口径的俄系火炮的射速也要高一些。比如AK176 76mm舰炮,很早时爆发射速就可以达到120/分,同时期的奥托 76mm舰炮只有80发/分。我国的76mm火炮是AK176的国产仿制版本,可以说在射速上还是占了不少便宜:
舰炮射速为何远超陆炮?散热系统是关键
国产76炮的鬼畜射速
不过要说的是,虽然外冷式的结构简单,但是散热效率是不如内冷式的。内冷式,其实是使用喷水装置直接向炮膛内喷射水雾,吸收了高温的水蒸气顺着炮管排出,所以其实可以算一种开式循环。虽然内冷式散热速度快,但是这带来了一个严重问题,就是急冷急热以及散热不均匀时产生的应力也会对炮管寿命造成影响。法国的100mm紧凑型舰炮(Compact Naval Gun),就是同时采用内冷式和闭循环外冷式设计,该火炮在90年代被引进我国,经过艰难的仿制工作后安装到了我们的052C驱逐舰上。从外观看,这种100mm紧凑型舰炮依然保留有外冷的导管,采用淡水冷却,而淡水用海水来冷却。内膛冷却系统则由喷水和吹气装置组成,不仅可以降温还能将发射药燃烧的残渣吹出炮管。这种散热效率非常高的同时,也缓解了急冷急热的问题,使得炮管寿命高达3000发,同时赋予了它高达90发/分的射速。要知道这可是一门100mm的火炮。
舰炮射速为何远超陆炮?散热系统是关键
100mm紧凑型舰炮
除了这两种主要的冷却方式,其实还有一种冷却方式,称为层间冷却方式。这种冷却方式是在身管外表面进行开槽,外部同样有一个套管;冷却水可以直接从开槽流入,这样就省去了舰炮外部的金属导管和软管系统;这种冷却方法可以保证炮管连续均匀地冷却,效率很高,保证在均匀射速下温升可以稳定控制在一定范围。不过难度就是筒紧炮管开槽后,强度将会降低,开槽的深度,数量,长度对强度和散热同时产生影响,因此需要精确找到一个平衡点。层间冷去却的方式比较罕见,目前已知的只有博福斯57mm舰炮。
舰炮射速为何远超陆炮?散热系统是关键
层间冷却示意图
说了这么多,就不得不谈谈我们052D和055的130mm舰炮了。HP/J-38主炮是由俄罗斯的AK130舰炮演变而来,由郑州机电工程所研制;该炮采用单管双链供弹体制,射速可达40发/分。这样的射速必然也是有一套主动冷却系统的。然而052D舰炮的外形看起来相当的整洁,俄式AK130和AK192M炮管上的软质导管完全看不到。所以HP/J-38舰炮的散热方式必定与俄式舰炮有很大差别。
舰炮射速为何远超陆炮?散热系统是关键
052D上面那个线是毫米波雷达的线缆,不是水冷导管
舰炮射速为何远超陆炮?散热系统是关键
按照上面对舰炮散热的方式的介绍,笔者对HP/J-38的散热方式做了一个大胆猜测,最有可能的是层间冷却方式;其次的可能是采用内层散热方式。为何?因为内层冷却如果没有法国100mm紧凑舰炮那种内外结合的方式,会有急冷极热,散热不均匀的引起炮管弯曲和严重的热应力问题,会导致精度和身管寿命降低,所以一般都是外冷内冷结合;而HP/J-38主炮并未看到外冷装置。所以还是散热均匀的层间冷却方式最为可能。
那么有没有不上水冷的主炮?也有,美国的MK45 127mm主炮就是。为了给主炮减重,美国把水冷砍了,仅使用主动空气冷却,射速也降到了仅仅20发/分,发射制导炮弹时更是只有10发/分的射速,完全放弃了防空和拦截反舰导弹。付出高昂代价的减重效果也比较显著,全重才21吨,只比我们052C上的100mm紧凑型舰炮略重,所以适装性很好,连排水量3000吨的仁川级护卫舰都能装上。这么做的不光美国,还有英国。英国的45型驱逐舰上现在装的MK8 114mm舰炮,也是取消了水冷装置,射速稍高,有25发/分。看来这俩国家算是彻底放弃了舰炮防空了。
舰炮射速为何远超陆炮?散热系统是关键
原来的MK42主炮是有水冷系统的,MK45砍掉了

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