膛线
身管实质上是一根发射时供弹丸通过的钢管。身管内表面称作炮膛，通常刻有凹线或膛线。也有没有膛线的滑膛身管，但它们主要用在坦克炮上，特别是用在发射尾翼稳定弹丸的火炮上。炮膛的膛线是按螺旋形刻制的，有等齐和渐速两种缠度。
带等齐缠度膛线的炮膛，其特征是阴线相对于炮身轴线的斜度是个常数。炮身轴线是沿炮膛中心贯穿炮膛全长的一条假想线。渐速膛线是指阴线与炮身轴线间的斜度是不断变化的，越向炮口斜度越大。渐速膛线，在身管内的火药气体压力达到最高点时，可用于减少弹带作用到阳线上的压力，从而保证弹丸在离开炮口前能获得足够的转数。使用渐速膛线在理论上的好处是，比较短的身管不会降低弹丸飞行中的稳定性。但是，正如我们将在后面了解到的一样，在如何使身管的不同部位得到不同的压力的问题上还存在着一些相互矛盾的要求。
凸起的膛线称为“阳线”。不包括阳线深度的炮膛直径就是用于衡量身管、也就是武器的口径的尺度。膛线的用途是在弹丸穿越炮膛时使弹丸旋转。弹丸上配有用比膛线软一些的材料制成弹带。当弹丸向前运动时，膛线嵌入弹带，膛线在弹带上刻出的凹槽的形状与阳线断面相应。弹带上被刻出的凹槽被迫沿膛线扭转的路线运动，从而使弹丸旋转。在决定膛线深度时必须解决两个彼此矛盾的要求。一方面，深阴线更有利于为弹丸穿过炮膛时导向并能减少膛线的磨损。但是另一方面，浅阴线更容易使弹带嵌入膛线，而且由于弹丸飞出炮口时留在弹带上的刻槽较浅，因而可减小弹丸在飞行中的空气阻力。
射击时的膛内现象
射击时在火炮内发生的一系列现象正是弹丸膛内运动即内弹道学所要研究的课题。内弹道学还包括对发射药弹道性能的研究。
火炮发射时，燃烧的发射药产生具有很高压力的气体，使弹丸加速穿过炮膛，直到以预定初速离开炮口。初速是具有一定质量和形状的弹丸最终要达到的整个射程的基础。在设计火炮时必须进行计算以保证最正常、最有效地产生所需要的初速。发射装药产生的能量用于完成好几种工作。大部分能量用于赋予弹丸速度。能量还消耗在做下述功上：使弹丸旋转，克服弹丸与膛壁之间的摩擦力，使发射药和发射药气体在膛内运动以及使火炮后坐部分后坐。有些能量还以热能的形式损失在身管、炮尾、弹丸和药筒(如果使用药筒的话)上。
在装药被点着的瞬间，发射药开始在一个封闭的空间燃烧。这个空间前有弹丸的弹带封闭，后有火炮所采用的紧塞装置封闭，紧塞装置用于防止火药气体从后面逸出。在发射药气体的压力达到能使弹丸运动的程度之前，发射药的燃烧速度与膛压增加的速度是成正比例的。所谓“弹丸启动压力”就是指使弹丸开始向前运动的压力。
当弹丸沿身管向前运动时，供发射药气体占用的空间增大，因此膛压的增加速度减小。当空间增加所导致的压力的增加相等时，膛压达到最大值。自此以后膛压开始下降，同时弹丸却在继续加速，甚至在发射药全部燃尽后弹丸仍在继续加速，只是加速度逐渐减小，弹丸一出炮口即变为减速。上图说明膛内压力、弹丸膛内行程和弹丸速度间的关系。
弹丸在膛内的运动大约要消耗掉发射药产生的能量的25-35%。其余的能量都在弹丸离开炮口后排入大气。从上图可以看出，通过增加身管长度以延长发射药气体作用于弹丸时间的方法，还有可能使弹丸初速增加。只是用这种方法增加初速也有其缺点，因为在身管增长超过一定限度后所增加的初速与所带来的缺点相权衡，是得不偿失的。上图也说明了这一点。从此图可以很明显地看出，从发射药燃尽点开始，弹丸速度的增加是越来越平缓的。
在火炮设计中发射药在膛内的燃尽位置是很重要的。如果燃尽位置在膛内过于靠前，则很可能会增加耀眼的炮口焰，从而增加被敌人发现的可能性。如果燃尽位置在炮口外，则炮闩在发射药全部燃尽前有被打开的危险。在设计火炮及其装药系统时，必须非常注意这种可能性，特别是对发射后自动开闩的火炮。使燃尽位置适当靠后还有其他一些理由，其中比较重要的是，这样做能减小各发弹之间的初速差异。很明显，发射药在膛内的燃尽点还会影响应力对身管的作用位置和大小。只要考虑到即使是一门105毫米野战炮要以每秒几百米的速度把弹丸推出炮口，其膛压也会大大超过20吨/平方英寸，这就很易理解应对身管应力问题给予极大重视的道理了。
身管特性
身管寿命
火炮身管所要具备的主要特性是寿命长、强度大、刚度强、重量适度和重心合适。身管的使用寿命应尽可能长，这就是说身管在由于磨损而不能以所要求的初速正常地发射能稳定飞行的弹丸前，应能发射大量炮弹。然而，在要求身管具有较长寿命方面，有一些考虑是相互矛盾的。采用身管特别冷却技术、冷燃发射药或价格昂贵的膛面光洁材料来增长身管寿命，都是很不经济的。这里需要优先考虑的是作战要求，特别是所需要的发射速度和估计多久换一次身管最合适；但是，还必须将这些作战方面的要求与制造成本和难易性相权衡比较。
强度
不言而喻，身管强度必须能承受射击应力而不致在作战情况下出现故障。这种强度要求可通过许多方法来实现，如在钢中添加合金元素、给身管施加预应力或依靠身管本身的设计来实现。一般是综合采用这三种方法。身管的重量主要取决于对其强度的要求，但是也考虑刚度和整门火炮射击时的稳定性。
刚度
身管必须具有足够的刚度，或通常所说的“梁强度”，以使其在自重作用下不致弯曲。这一特性对长身管火炮来说尤其重要。在身管使用的钢材品位确定以后，身管的梁强度要求通过选择合适的身管外形来满足，即，使身管的厚度从炮尾到炮口逐渐减薄。
重心
现代火炮多采用后耳轴。身管重心离耳轴越远，由于身管和炮尾不能绕平衡点旋转而引起的身管的不平衡力矩也越大。因此，身管重心尽可能靠近耳轴是最理想的。现代火炮一般使用平衡机来解决这个问题。详细情况可见第五章。另一个解决办法是增加炮尾重量，形成配重平衡。这种方法的缺点是增加了火炮重量，然而重量增加也有好处，即可以提高火炮的稳定性。关于火炮稳定性的问题请见第五章。身管的炮口端过重倾向还可以通过调整身管全长的重量分布来解决。但是，一般认为，其它一些因素包括前面几段提到的那些问题在内，在决定身管外形上更为重要。
身管结构
缠丝身管
缠丝身管现在已经过时，但是它使用过的工艺还是值得注意的。用这种工艺制造身管就是把钢丝紧紧地缠绕在身管上。从炮尾往前缠丝部分的长度取决于承受射击应力的需要。缠丝身管具有某些优点，主要优点是所使用的钢丝的强度可以在生产过程中严格控制。另外，钢丝中的任何故障往往只具有局部影响，与身管上产生裂纹不一样。这种工艺的缺点是，需要把某种形式的外管或被筒冷缩到身管上，以使身管具有足够的梁强度。整个工艺过程是比较耗费时间的，而且费用昂贵。使这种工艺过时的主要原因是现在已有更好的制造预应力身管的工艺。
套筒身管
制造身管的另一种方法是把两个或两个以上的圆管套在一起，形成套筒式身管。套装之前，外管的直径应稍小于内管。把外管加热后，再把冷内管装入外管里。冷却后两个管子的贴合面被压在一起。结果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。这种套筒身管的总的效果是，身管内腔表层存在的压力使这种身管比用相同厚度的单个金属管做成的身管能承受更大的射击应力。当然这种比较只有在这种单层金属身管没有采用其它方法如自紧工艺进行预应力处理时才是正确的。自紧工艺将在本章后面部分介绍。套筒身管技术过去曾经显示出某些优越性，特别是在制造极大型身管时用其他方法提高身管强度在当时存在着不可克服的制造困难。
松装身管或松装衬管
另一种增加身管强度的方法是在身管的某一部分上安装被筒以提高身管承受高应力部位的强度。被筒还对身管起纵向支撑作用。“松装身管”一词容易使人误解，其实身管和被筒是紧密结合件，两者被牢牢地固定在一起，以防止弹丸在膛内运动时身管在被筒中旋转。松装身管的好处在于更换身管时和把身管分解成驮运件时，身管比较容易卸下。松装衬管是松装身管的前身。两者的主要不同是整个松装衬管全被被筒套住。因此，与松装身管比较，松装衬管更加笨重。发射18磅或25磅弹的速射火炮使用松装衬管，而其后继型火炮则使用松装身管。
组合身管
组合身管是由各段身管组合而成的，除身管各段用不同牌号钢材制成外，与松装身管相似。身管各段的钢号选择取决于其所承受的发射药气体压力的大小。组合身管可以做成线膛；也可以把炮口端做成滑膛，以延长身管长度，增加初速。这种似乎很复杂的身管的好处是可根据内膛的磨损情况来更换身管。组合身管的缺点在于它的复杂性，在于如何保证各段身管的完全密封，还在于身管的各相邻两段间如何做到准确的膛线对接。然而，组合身管已成功地为高射炮和反坦克炮生产出来。与上述各种身管制造技术一样，组合身管目前也已被单肉身管所取代。
单肉身管
单肉身管用整段锻件制成，没有任何被筒或衬管。由于单肉身管容易制造和冶金学的发展为身管的制造提供了能可靠地承受极高膛压的合金钢材，因此单肉身管技术目前已成为普遍采用的技术。制造单肉身管的现代工艺是非常快速的。现有的旋锻机床已经能把空心和实心棒钢经热锻或冷锻做成长达十米以上的身管。由于使用数控系统以程控完成整个操作，整个工艺过程已不象过去那样依靠操作者的个人技术。锻压成一根105毫米身管只需要十来分钟。在使用冷锻工艺时，膛线成形也可以包括在身管成形工艺中。这时可使用一个具有所需要的膛线深度和缠度镜象的芯棒装置来使身管成形。
如果钢号一定，要想在制造单肉身管时不施加预应力而获得更大强度，就必须加厚管壁。增厚管壁的做法除使身管更重、使其价格更贵外，其效用也是很有限的。身管钢材的外层与内层相较往往应力不足。当身管直径与炮膛直径之比超过某一比值时，强度的增加将是有限的。由于身管壁在承受膛压时压力大小不均，因此内表面受到的压力会达到极限，而外层受到的压力却极小，这是单肉身管的基本缺点之一。增大身管强度的措施是使用具有更大抗张强度的钢材或者给身管施加预应力或者两者兼施。目前被广泛接受的方法是通过自紧工艺取得预应力身管。
自紧工艺
身管所受应力
共有五种不同类型的应力作用在身管上。它们是梁应力、径向应力、圆周应力、纵向应力和扭转应力。梁应力是身管自身的重量和长度作用在身管上而引起的一种挠曲应力。因此，身管必须具有足够大的刚度以防止自重引起的弯曲。发射时，发射药气体在膛内向身管壁施加一个向外的径向应力。发射药气体还产生一个圆周应力，圆周应力沿切向作用在炮膛圆周的任何一点上。
当弹丸在膛内运动时，它还产生另外两种应力：其一是纵向应力，其二是扭转应力。纵向应力是由弹带在膛内的向前运动和弹带前后的压力差引起的。纵向应力的作用是纵向拉长身管，但是这种应力的作用范围很小，只限于局部且随弹丸向前移动。与弹丸的膛内运动有关的第二种应力是扭转应力。扭转应力是由于弹丸在膛内运动时扭转而引起的。扭转应力产生扭转作用，其方向与膛线缠度方向相反。
要弄清自紧工艺到底是谁发明的是很困难的。大多数人认为是法国人在20世纪初期发明的；但是有些法国人却认为早在19世纪60年代就发明了，这就更难证实了。显然“autofrettage”(自紧)一词源出法文，其英译为“self-hooping”。不管人们对该技术的源起日期如何怀疑，第一门自紧火炮是1913年法国人制造的140毫米火炮，则是确实无疑的。
现将自紧工艺过程概述如下。首先选择一根内径略小于所需要的口径的钢管，然后从里面对钢管施加足够大的压力，使其内膛扩大。在这个过程中钢管内层金属被伸展超过其弹性极限。这意味着内层金属已伸展到在膛内压力一旦消失后不能恢复其原状的程度。在施加内压过程中钢管外层也会伸展，但内压的大小被控制在不使钢管外层金属伸展超过其弹性极限的范围。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，到钢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，因此钢管外层的伸展小于内层。由于外层金属扩展是在弹性极限内，因此外层金属力图恢复原状，而同时被永久性伸展的内层则极力阻止其这样做。结果使内层金属处于外层金属的压缩之下，非常象外层金属被收缩在内层上一样。下一步是对已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。最后是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扩展不超过其新的弹性极限。
采用自紧工艺的第一个好处是，在最大发射压力一定时，可以选用一种价格比较便宜的低牌号钢材做身管。另一个好处是，在钢材牌号一定时，可减薄身管壁厚，从而可减少炮重并降低成本。例如，一个外径比内径大50%的身管，经过自紧处理后其强度相当于将壁厚增加约50%的同样的非自紧单肉身管。自紧身管的再一个好处是，若对身管内膛加压，则有可能弥合内膛表面的细微裂缝，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，其疲劳寿命可增加一倍以上。自紧工艺有几种不同的工艺形式，其主要区别是在对炮膛施加内压的方法上。这些工艺方法可分作两类，即液压自紧和挤压自紧。
液压自紧工艺
液压自紧工艺是通过往膛内引入高压液体来获得所需要的应力的。通常使用的高压液体是甘油和水的混合液，因为这种液体在高压下具有稳定性。国家不同则使用的液压自紧装置也有所不同。图4.3为美国使用的一种液压自紧装置。
某些高强度钢材的屈服点接近70吨/平方英寸，使这类钢材获得必需的液压力是很困难的。即使能产生这样的压力，在密封自紧装置上也存在很大的问题。另外，液压自紧还有一个先天不足之处，那就是由于沿身管长度上壁厚不同，因此就会产生不同的预应力。前面说过在身管全长上具有同样壁厚是不必要的，因此如果火炮重量是个问题，则就非常需要在自紧后的抛光工序中减小身管厚度，越到炮口减的应越多。挤压自紧工艺是克服上述某些困难的有效方法。
挤压自紧工艺
挤压自紧工艺就是用液压顶杆迫使一个体积比钢管内膛大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，取决于身管所需要的钢材牌号、身管壁厚、身管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，推动冲头穿过身管内膛所需要液压力比液压自紧所需要的液压力更容易获得。另外，挤压自紧为设计师提供了仅对需要施加预应力的那段身管进行自紧处理的能力。图4.4中的示意图说明了挤压自紧工艺原理。
身管磨损
尽管在身管制造技术上取得了若干进展，但是身管磨损问题仍然存在。身管磨损起因于膛内发射药产生的高温、高压气体在膛内的化学作用和弹带穿越身管时的摩擦作用。磨损的结果会造成相对于射弹起动压力的初始阻力的减小，从而使最大膛压下降，使初速减小。由磨损引起的初速减退量是可以计算出来的，并且可在火炮上进行修正或在计算射击诸元时进行修正。如果身管磨损过大，就有可能出现没法接受的初速偏差。此外，如果膛线磨损严重，弹带可能失灵，弹丸飞行就会不稳定。如果弹丸不能稳定地沿弹道飞行，就会使空气阻力增加，从而产生近弹。这种后果是很难预测的，因而不能象修正初速减退量那样进行修正。
由高温、高压发射药气体造成的磨损称为烧蚀。烧蚀常常是局部性的，在这种情况下烧蚀被称为烧痕。在身管的有缺陷处，烧痕就会出现并会很快扩展。在弹带和膛线之间密封不严的地方，也会出现烧痕。还有一种烧蚀叫环形烧蚀，环形烧蚀表现为在速射火炮药室中的药筒前沿处身管局部的圆形扩展。由弹丸与炮膛表面摩擦形成的磨损叫磨蚀。磨蚀将会逐渐磨掉炮膛表面的金属，阳线上使弹带旋转一端的机械摩擦将逐渐把阳线磨圆。用改变弹药设计、减少膛内摩擦的方法可以防止磨蚀。通常，烧蚀是最严重的一种膛内磨损，特别是对射程远、射速高的火炮来说。
可选用下面四种方法的一种或多种来解决炮膛磨损问题，这四种方法是：使用防磨损添加剂在炮膛表面形成绝热层、使用冷燃发射药、使用抗烧蚀性更高的钢材和使用身管冷却技术。使用防磨损添加剂的主要问题是，最好在每发弹发射前都放添加剂；当然，这是可以做到的。可把合适的添加剂如硅酸镁和石蜡的混合物放在弹丸后边的药室中。射击时，身管内表面将覆盖一层添加剂，它可以保护炮膛免受高温发射药气体的烧蚀。直到今天，使用防磨损添加剂的效果都是非常令人满意的，但是还需要对其作进一步的研究。使用冷燃发射药会给火炮设计师带来其它约束，因为为了盛装更多的冷燃发射药以获得一定的最大膛压，就必须增大火炮药室。与此相似，使用耐烧蚀材料做身管也同样有其缺点。大多数耐烧蚀材料，如钼和铬，都很昂贵，而且加工不易。镀铬身管是近年来广为研究的课题，但是弹丸的摩擦作用能使铬层遭到破坏，因此镀铬身管直到今天仍主要用于小口径武器。
剩下的唯一的一个选择是采用某种方法使身管冷却。就炮兵武器目前存在的射速、特别是持续射速越来越高的趋势来说，对解决身管过热问题的要求已变得越来越紧迫。解决这个问题的途径有两个，就是水冷和气冷。水冷已经成功地应用于高射炮和舰炮，因为对这两种火炮来说，重量不是应考虑的主要因素。这种水冷方式对提供近程和中程支援的火炮来说是成问题的，肯定不适用于牵引火炮。为使水冷有效，冷却水或其它冷却剂必须紧靠身管。冷却系统必须能为来自某种形式的蓄水器的冷却水提供循环条件并向蒸气提供排放条件。水冷应用于自行火炮是可能的。在自行火炮上，可把水冷系统作为自行火炮的一部分，但是水冷系统占用空间并会增加自行火炮的重量和复杂性也是一个问题。气冷是解决这个问题的很有吸引力的途径，因为气冷与水冷比较，其系统的结构简单而重量轻。
火炮采用气冷的困难之处是身管散热面积过小，常常不能足够快地降低温度以抵销由于持续射击而增加的热量。以一门105毫米轻型火炮为例，先以每分钟四发的射速连续射击15分钟，接着再以每三分钟四发的射速持续射击15分钟，这时其身管温度可达160℃左右。甚至在射击中断了90分钟以后，身管温度仍有60-70℃，视当时的环境温度而定。显然，如果再以同样的射速进行射击，身管温度将会更快地达到并超过160℃。在炮膛表面温度超过675℃左右时，烧蚀速度将会稳定地增加；超过980℃后，烧蚀速度将显著加快。当然，使用防磨损添加剂和抛光炮膛表面会部分地解决这个问题。尽管通过上述措施可降低身管温度，但是对高性能火炮来说它产生的热量是很大的，身管的最高膛温主要是由火炮一天中在战场上发射的所有炮弹造成的。对于现代炮兵武器系统来说，尤其如此，可能要求它们每天发射近千发炮弹，至于是否能进行爆发射关系不大。
曾经对通过增加散热面积来冷却身管的方法进行过试验。在这些方法中包括使用散热片、散热环和散热肋等。一般地说，增加散热面积的做法在火炮设计中还没有引起重视。在身管上装带槽或带翼片的被筒并在身管和被筒间注入冷空气是可以做到的；但是这样做又会带来使火炮增重和变得更复杂的缺点。身管厚度的任何增加肯定也会有助于降低炮膛温度，因为增厚将增加身管的容热能力。遗憾的是，对提供近接支援和纵深支援的炮兵武器来说，它们不能采用使自己增重的方法。
对炮膛温度的考虑远远超出了磨损问题。炮膛温度也涉及安全问题。在发射速度很高时，炮膛温度也会很高，就有可能引起发射装药爆燃或自燃，甚至在极端条件下会引起弹丸爆炸。随着火炮发射速度的日益提高，在火炮上设置膛温监测装置是非常可取的。美国M198式155毫米榴弹炮就配有这种测温装置。
身管的疲劳问题
最新一代的炮兵武器既需要具有比以往更远的射程，同时又需要足够轻便，以满足战略、战术和战场机动性要求。为满足射程远、重量轻的要求，身管都是用具有更高屈服强度的钢材制造的，以适应能产生更远射程的高膛压。炼制屈服强度约为1200兆帕的钢材是可以做到的，但是这会大大降低其断裂韧度。采用这样的钢材制造身管已使这样一种趋势越来越严重：使身管因烧蚀和磨蚀而报废之前就会提前报废。换句话说就是，现在使用的身管由于受到低于抗张强度的应力水平上的应力的反复作用而发生疲劳和断裂的情况越来越多。
在多数火炮的炮膛中都可以发现膛面上有密如蛛网的裂纹和龟裂现象。在目前通常使用的高膛压的作用下，龟裂会很快地扩展成较大的裂纹。这种疲劳性龟裂最终会在射击时造成身管的严重损坏。不难理解，这种现象正越来越引起重视，显然这个问题有两个方面。其一是要预计在身管疲劳成为严重问题之前火炮能发射多少发炮弹。其二是确定哪种钢材的断裂韧度最佳和抑制疲劳裂纹生成速度的能力最佳。目前存在的困难是不能提供精确的数据，主要原因是对温度对于自紧身管疲劳的影响和裂纹的扩展还缺少充分的资料
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