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DOI:10.19486/j.cnki.11-1936/tj.2023.15.004 据英国知名防务媒体网站“谢泼德传媒”（Shephard Media）6月8日报道，英国可能需要将库存中的“挑战者”2坦克和AS90自行火炮拆解作为“器官提供者”，用来为已援助给乌克兰的坦克和火炮补充备用身管。因为根据BAE系统公司的声明，英国已经不再具备大口径火炮身管的制造能力。 在很多人看来，火炮身管不过是一根供弹丸发射时通过的钢管罢了。英国虽早已不复当年“日不落帝国”的荣光，但怎么会沦落到连大口径火炮身管都造不出来的窘境呢？实际上，作为火炮的最重要部件，身管承担着将发射药燃气能量安全地传递给弹丸，并赋予弹丸稳定性及初始射向的重任。其从设计到制造，难度之大远超一般人想象。
火炮的“门道” 火炮身管内表面通常被称作炮膛。根据炮膛是否刻有膛线，可将身管火炮区分为线膛炮和滑膛炮两大类。目前，滑膛炮主要用作坦克炮和迫击炮。 对于线膛炮而言，凸起的膛线称为“阳线”。不包括阳线深度的炮膛直径就是火炮的口径。膛线的用途是在弹丸穿越炮膛时使弹丸旋转。为此，弹丸配有比膛线软一些材料制成的弹带。当弹丸在发射药燃气的推动下，在炮膛内向前运动时，膛线嵌入弹带，与弹带上刻出的凹槽相啮合，从而让弹丸沿膛线扭转的路线向前运动，从而产生旋转。 膛线是按螺旋形刻制的，有等齐和渐速两种缠度。所谓缠度，可以理解为膛线沿炮膛向前螺旋一周所前进的距离。如果这个距离是恒定的，就称为等齐缠度，相应的膛线就是等齐膛线。如果缠度越靠近炮口处变得越小，这就是渐速缠度，相应的膛线就是渐速膛线。就加工工艺而言，刻制渐速膛线的技术难度肯定要高于等齐膛线。但渐速膛线因为从炮尾开始时的初始缠度较大，因而能在发射药燃气压力最大的阶段降低弹带施加到阳线上的压力，有利于减轻阳线磨耗。此外，因为越靠近炮口时渐速膛线的缠度越小，所以在身管倍径较小的情况下，仍能赋予弹丸足够的飞行稳定性。 膛线深度的确定需要综合考虑各方面因素。理论上，较深的膛线加工难度较大，膛线与身管内壁交汇处易产生应力集中，但它对弹丸的导向性较好，而且同等情况下使用寿命较长。较浅的膛线更容易让弹带嵌入膛线，有利于锁闭发射药燃气，理论上对发射药燃气的能量利用率更高，而且由于弹丸飞出炮口时留在弹带上的刻槽较浅，有助于降低弹丸在飞行中的空气阻力。 在发射药被点燃的瞬间，它在一个封闭的空间内燃烧。这个空间前有弹丸的弹带封闭，后有火炮炮尾的紧塞装置封闭，因而发射药燃气并不能从前面或后面逸出。在发射药燃气的压力达到能向前推动弹丸的“弹丸启动压力”值之前，发射药的燃烧速度与膛压增加的速度是成正比例的。当达到并超过“弹丸启动压力”值之后，弹丸开始沿身管向前运动。这时候因为供发射药燃烧的封闭空间开始不断增大，所以膛压的上升趋势开始趋缓。当膛压的增加值归零时，膛压即达到最大值。此后膛压开始下降，但弹丸却仍在继续加速。甚至在发射药全部燃尽后弹丸仍在继续加速，只是加速度值逐渐减小。当弹丸飞出炮口一小段距离后，才在空气阻力的作用下开始减速。 火炮发射时，发射药燃气所蕴含的能量大部分用于推动弹丸在身管内前进，并赋予其一定的炮口初速。这个炮口初速是火炮达到规定射程的基础。除此之外，发射药燃气能量还消耗在克服弹带与膛线之间的摩擦力、迫使弹丸旋转、使火炮产生后坐，以及令身管、炮尾、弹丸和药筒升温等方面。弹丸飞离炮口后，发射药燃气剩余能量随即排入大气中。 理论研究表明，以目前身管火炮的设计水平，弹丸对发射药能量的利用率仅有25%～35%，绝大多数能量都白白浪费了。当然，在一定范围内可以用增加身管长度的办法，来延长发射药燃气对弹丸的作用时间及作用距离，从而提高弹丸初速。但当身管长度的增加超过一定限制后，藉此获得的弹丸初速增加收益便不能抵消由此带来的诸如身管重心过于靠前，炮尾不得不增加配重，从而导致火炮战斗全重增加较多，以及制造成本上升等一系列负面影响。 对于火炮设计师而言，身管火炮内弹道设计一个至关重要的难点，在于确定发射药在膛内的燃尽位置。这个位置不仅会影响身管的受力情况，而且若选择不当则可能产生一系列严重后果。例如，如果燃尽位置在膛内过于靠前，则很可能令炮口焰变得耀眼夺目，从而让发射阵地被敌人发现的概率大增。如果燃尽位置在炮口外，则炮闩打开时，未燃尽的发射药颗粒会冲出炮闩燃烧，从而对炮尾装置及位于其附近的火炮操纵人员造成损伤。 对一些火炮击发后自动开闩的火炮而言，则危险系数更高。 在可能的情况下，设计师应将发射药燃尽位置尽可能设计得向后靠。这样不仅有利于降低各发弹丸之间的初速差异，而且让身管壁厚具备了从炮尾向炮口方向逐渐减薄的可能性，继而带来身管重量减轻、质心靠后、炮尾配重得以降低等一系列额外收益。
工艺复杂 现代大口径身管火炮的使用膛压达数百兆帕，相当于数千个标准大气压，而且还要求有一定的使用寿命，这对火炮身管提出非常苛刻的强度、刚度和韧性要求。设计师的解决之道，就是在炮钢成份、给身管施加预应力及身管设计方面“三管齐下”。 要提高坦克主炮耐受膛压，首先要炼出屈服强度颇高的炮钢才行。众所周知，钢是以铁为主要成份的一种混合物。其中各种元素含量的多寡，对钢材性能影响极大。对钢铁大国而言，钢材的牌号多达上万种，但仅有数种有潜力成为坦克主炮的坯料。为了进一步提高坦克主炮的耐受膛压，这些坯料在正式进入加工工序之前往往还要通过“电渣重熔”工艺来进一步去除其中的有害杂质。 电渣重熔是一种利用电流通过高电阻熔渣产生的热能，对金属进行再熔炼的方法。其原理是将原料钢锭装在电极下端，浸埋在熔融的熔渣中，交流电流通过高电阻渣池时产生大量热量，将浸埋在熔融的熔渣中的原料钢锭熔化。熔化产生的金属熔滴与高温高碱度的熔渣充分接触，产生强烈的冶金化学反应，使金属熔滴得到精炼，此后再穿过渣池滴入金属熔池，然后被水冷结晶器冷却后凝结成成品钢锭。成品钢锭是按由下而上的顺序单向凝固的，有利于混杂在金属熔滴中的气泡及硫、磷等有害元素析出。 这样炼出的成品钢锭不仅成份更纯，而且组织更致密、化学成分更均匀。经过电渣重熔的炮钢横向拉伸强度、塑性、断裂韧性、抗疲劳性及承压性能均有明显提高。 经过电渣重熔工艺处理过的成品钢锭还要进行反复锻打，之后进行热处理，以去除钢锭内部在锻打过程中产生的内应力。如此反复多次，再拉伸成管坯，研磨外壁后再进行深孔钻削，此后要进行身管自紧工艺处理，再由液压机矫正身管弯曲，此后经过热处理，如果要加工成线膛炮就可以着手开始精加工膛线了，如果要加工成滑膛炮就可以开始研磨内壁了。 在炮管加工过程中，身管自紧工艺也能大幅度提高其耐受膛压。身管自紧就是通过机械或液压的方法，使炮管内壁的金属产生塑性变形，而外壁的金属仍处于弹性极限以内。当自紧过程结束后，炮管内壁产生残余压应力，外壁产生残余拉应力。经过自紧的火炮身管在承受炮弹发射产生的高膛压时，炮管内壁的残留压应力将部分抵消发射药燃气带来的巨大拉应力，从而改善火炮内壁的受力状况。 采用自紧工艺后，火炮身管可承受膛压大为提高，因而可减薄身管壁厚，继而降低炮重及成本。非但如此，自紧工艺还能在一定程度上弥合内膛表面在加工过程中产生的细微裂缝，从而减少身管在使用期内因疲劳而发生故障的可能性。就较轻型身管而言，采用自紧工艺后其疲劳寿命可增加一倍以上。 根据对炮膛施加内压的手段不同，自紧工艺可区分为液压自紧和挤压自紧两大类。液压自紧工艺通过往膛内引入高压液体来获得所需要的应力。通常使用的高压液体是甘油和水的混合液，这种混合液在高压下具有稳定性。液压自紧工艺的缺点，是对密封自紧装置的要求极高。对于不等厚的身管坯料而言，经过液压自紧工艺后，坯料各处产生的预应力各不相同。 挤压自紧工艺就是用液压顶杆迫使一个体积比身管坯料内膛大一些的冲头或心轴通过内膛。使身管内层产生超限应变所需要的压力的大小，取决于身管坯料的钢材性能、壁厚、内膛初始直径与冲头的直径差以及内膛与冲头的接触面积。就产生同样大的预应力而论，推动冲头穿过坯料内膛所需要液压力比液压自紧所需要的液压力要小，因而较为容易实现。这种工艺的不足是所能提供的预应力有上限，可能难以满足高膛压火炮身管所需。 在身管火炮发展过程中，除了身管自紧工艺，设计师还想过很多办法来力图加强身管性能。例如，早年间曾一度流行将钢丝紧紧地缠绕在身管外表面上，制成缠丝身管。这种工艺较为复杂，而且身管性能提高有限，因此早早地被淘汰了。后来又出现过组合身管，即身管由数段组成，各段采用的钢材材质各不相同。这种制造工艺出现的初衷，是解决身管各段磨损、烧蚀程度不一的问题。当某段身管的磨损、烧蚀逼近临界值时，只需更换这段身管，而不至于要让整根身管报废。这个出发点确有可取之处，但如何解决各段身管之间的密封性，以及如何让相邻身管膛线准确对接是不小的难题，故而亦被淘汰。 早年间盛行“大舰巨炮”主义时，因为制造极大型身管时难以保证整体强度，故而出现过套筒身管。这种身管由外管和内管两部分组成。外管的内径略小于内管外径。将外管加热后，再将未加热的内管装入外管中。待外管冷却后，内外管贴合面被紧紧压在一起，内管所受的切向压缩应力和外管所受的张力在两个管子间产生了压力。这种套筒身管比相同厚度的单个身管能承受更大的膛压。为降低造价，有些身管只在承受最高膛压的部位增加一截被筒，算是套筒身管的缩水版。 不过，当身管自紧工艺成熟后，绝大多数身管火炮都改用经过自紧工艺处理过的单材身管。这种身管用同一整块坯料，由数控系统控制旋锻机床的冷锻或热锻工艺过程，一鼓作气加工成型。如果使用冷锻工艺，甚至还可在身管成形过程中顺便加工出膛线，因而其生产效率不是以往缠丝身管、组合身管、套筒身管所能比拟的，故此成为身管的主流设计。
技术难点 电渣重熔和身管自紧工艺相结合，对大口径火炮性能的提升助益良多。 身管自紧工艺出现在19世纪，电渣重熔工艺也诞生了数十年之久，很多人据此认为这些都是成熟技术，没啥大不了的，其实大谬不然。上世纪70年代末、80年代初，日本研发第三代90式主战坦克时，曾认为既然德国能比照英国L7型105毫米线膛炮的一些尺寸数据，研发出性能优异的RH120型120毫米滑膛炮，那么同样身为“钢铁强国”的日本，也一样可以在L7型105毫米线膛炮基础上通过扩膛，就能“多快好省”地研发出自己的120毫米高膛压滑膛炮，结果不出意料地研发失败，而且还找不到解决之道，最后只得花高价引进德国RH120滑膛炮了事。同样自认为是“世界钢铁强国”的韩国本世纪初研发K2主战坦克时，也曾雄心勃勃地打算通过“电渣重融，身管自紧”工艺自行制造高膛压火炮胚管。可折腾了好几年却始终不得要领，就更别奢谈工业化应用了。无奈之下，韩国老老实实地步了日本的后尘。 别说日韩两国，就是资源禀赋优异、重工业水平极高的苏联也是直到80年代末才真正掌握能让炮管极限膛压达到相当水准所需的电渣重熔和身管自紧工艺，从而令2A46M-1坦克炮身管极限膛压一举从此前的510兆帕左右提高到650兆帕左右，极大缩短了与西方的技术差距。可即便如此，由于工艺水平较西方仍有差距，2A46M-1坦克炮身管极限膛压要比RH120低60兆帕左右。 说起来，电渣重熔的核心技术在于熔渣成份的配比。熔渣主要成份是氟化钙，辅以氧化钙、三氧化二铝、氧化镁、二氧化硅等其他化合物。如何配比才能让熔渣在高温下具有脱硫、脱磷、去除非金属夹杂物等能力，同时在铸锭和结晶器间形成一层渣皮，起到绝缘和隔热的作用，这是各国的不传之秘。 身管自紧工艺分机械自紧和液压自紧这两种工艺路径。机械自紧主要靠硬质合金自紧头对身管进行自紧。该自紧头外径略大于火炮身管管坯的内径，靠外力强行插入，从内膛对坯料施加足够大的压力，使其内膛扩大。在这个过程中，坯管内层金属被延展超过其弹性极限。这意味着内层金属已延展到在膛内压力一旦消失后不能恢复其原状的程度。在施加内压过程中，坯管外层也会延展，但内压的大小被控制在不让坯管外层金属延展超过其弹性极限的范围之内。之所以出现这种现象，是因为管壁应力分布不均；邻近压力源的金属层所受应力最大，到坯管外层应力显著减小。在弹性极限内应变(或者说尺寸变化)与施加的压力成正比，因此坯管外层的延展小于内层。由于外层金属延展是在弹性极限内，因此外层金属力图恢复原状，而同时被永久性延展的内层金属则极力阻止外层金属这种趋势。结果使内层金属处于外层金属的压缩之下，相当于外层金属被绷紧收缩在内层上。接下来，对已产生应变的内层金属进行低温热处理，使内层金属的弹性极限至少提高到与在自紧工艺的第一阶段所施加的压力一样大。最后，再次施加内压以试验身管弹性。但是这次施加内压时必须非常小心，必须保证内层金属的延展不超过其新的弹性极限。 液压自紧则是靠液压对身管进行自紧。考虑到当代大口径火炮的倍径，液压自紧工艺相对更容易实现。但它的技术难点在于对灌入炮管的高压液体实施密封，这非常考验一国总体工业水平。 综上所述，要想批量生产出合格的现代大口径火炮身管，技术门槛可谓极高。非但要有足够雄厚的工业基础和技术积累，以及合格的加工设备，更需要有足够数量的高技能生产人员。
烟消云散 冷战结束后，包括英国在内的西方阵营普遍“刀枪入库，马放南山”，对军备建设投资的热情明显比不上冷战时期。在这种情况下，维系大型武器产能及积蓄研发换代产品资金便只能依靠军品外贸来实现。但是，英制武器是主要着眼于英国本国国情及国防需要而设计的，加之英国总体工业水平在西方国家中已不算先进，且刻板的英国人在诸多设计理念上仍抱残守缺，没能做到与时俱进，因此在与美国、德国，甚至法国的军贸竞争中，可谓节节败退。 就拿英国引以为傲“挑战者”2主战坦克来说，居然不顾滑膛炮的巨大优势，仍然执拗地选用线膛炮，对外公开宣称的理由是线膛炮的远距离射击精度强于滑膛炮，但骨子里却是舍不得放弃碎甲弹这个由英国发明，只能由线膛炮发射的特殊弹种，却全然无视在复合装甲普及后，碎甲弹所带来的威胁已不足为患这个铁的事实。因此维克斯防务系统公司在完成英国陆军的“挑战者”2主战坦克订单后，近30年来仅成功争取到阿曼这唯一的海外用户，且外销量只有区区38辆。 可与“挑战者”2主战坦克作“难兄难弟”的AS90自行榴弹炮情况则更糟。由于其实际性能在西方同类火炮中平平无奇，因此在国际竞标中屡屡败给美制M109、德制PZH2000，甚至中国的PLC45。本世纪初，波兰曾打算将AS90集成到该国PT-91主战坦克上，但却看不上AS90的39倍口径身管，这单BAE系统公司好不容易拉来的“半拉子”生意最终还是因为性价比问题黄了。也就是说，自从1995年该公英国引以为傲的“挑战者”2主战坦克仍然执拗地选用线膛炮司交付完英国陆军179辆AS90自行火炮订单后，生产线就停了。冷战结束后，兼顾战略战役机动性和性价比的卡车炮兴起，但反应迟钝的英国却再次错失了这个历史契机，没有任何作为。
在这种情况下，只为追求利润的资本家是不可能继续白花钱维系生产线和熟练技工队伍的。于是，英国本土唯一能制造大口径火炮的工厂于2001年关张大吉。相关技术资料封存，相关设备转卖或变为他用。至于熟练技工，则早被遣散自谋生路去了。也就是说，早在22年前，英国就已经丧失了大口径火炮身管的生产能力。哪怕是突然有一天因情势所逼，需要英国重新拥有这一能力时，即便是能筹到资金，能买到设备，但能操作这些设备批量生产出合格产品的熟练技工队伍的重建，却绝非一朝一夕之功。 不过，如今的英国从上到下皆无此忧患意识。国力不逮的他们深度依赖于所谓的“集体安全机制”，将国运深度绑定在美国战车上。而且进入新世纪后，“去工业化”在西欧是一种“政治正确”。从这个角度来说，英国丧失大口径火炮身管制造能力，也算是一种“求仁得仁”。 |
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